Cum și-au pierdut emusii și struții capacitatea de a zbura

Modificările evolutive ale ADN-ului care stăpânește genele în jur ar putea fi pus la pământ unele păsări.

Noile analize genetice arată că mutațiile în ADN-ul de reglementare au făcut ca păsările ratite să-și piardă capacitatea de a zbura de până la cinci ori separate în timpul evoluției lor, raportează cercetătorii în 5 aprilie. Ştiinţă. Ratitele includ emu, struți, kiwi, rheas, cazuari, moa tiname și dispărute și păsări elefanți. Numai tinamul poate zbura.

ADN-ul de reglementare își primește numele deoarece este implicat în reglarea când și unde sunt activate și oprite genele. Nu conține instrucțiuni pentru producerea proteinelor. Cercetătorii au dezbătut de mult dacă marile schimbări evolutive, cum ar fi obținerea sau pierderea unei trăsături precum zborul, apar mai ales din cauza mutațiilor la genele producătoare de proteine ​​legate de trăsătură sau rezultă în principal din ajustări ale ADN-ului regulator mai misterios.

Dezvăluirea importanței ADN-ului de reglementare în modelarea evoluției ar putea arunca lumină asupra modului în care speciile strâns înrudite cu aceleași gene, cum ar fi cimpanzeii și oamenii sau moasul și tinamul, pot dezvolta aspect și abilități foarte diferite.

Oamenii de știință au avut tendința de a sublinia importanța modificărilor de codificare a proteinelor care afectează evoluția diferitelor trăsături în multe organisme. Exemplele sunt relativ ușor de găsit. De exemplu, un studiu anterior asupra cormoranilor Galapagos fără zbor a sugerat că mutațiile dintr-o singură genă au micșorat aripile păsărilor (SN: 6/11/16, str. 11).

cazar adult
PIERDUT DIN NOU Zborul poate fi pierdut independent în ramura de ratite a arborelui genealogic al păsărilor care a dat naștere emuului și cazarului (un cazar sudic adult, prezentat). Luke Seitz

În general, mutațiile care modifică proteinele ar putea fi mai dăunătoare decât modificările ADN-ului de reglementare și, prin urmare, mai ușor de observat, spune Camille Berthelot, genetician evoluționist la institutul național de cercetare medicală francez INSERM din Paris. O proteină poate fi implicată în multe procese biologice din organism. „Deci peste tot se află această proteină [made]vor fi consecințe”, spune ea.

Prin contrast, multe bucăți de ADN pot fi implicate în reglarea activității unei gene și fiecare poate funcționa doar într-unul sau în câteva tipuri de țesut. Acest lucru reduce daunele pe care le-ar putea avea schimbarea unui segment de reglementare, făcând acele bucăți de ADN ținte ușoare pentru experimentele evoluției. Dar, în același timp, face și mult mai dificil să se determine când ADN-ul de reglementare este implicat de fapt în schimbări evolutive mari, spune geneticianul evoluționist Megan Phifer-Rixey de la Universitatea Monmouth din West Long Branch, NJ. Aceste bucăți de ADN nu sunt toate. seamănă și s-ar putea să se fi schimbat mult de la specie la specie.

Biologul evoluționist Scott Edwards de la Universitatea Harvard și colegii au rezolvat această problemă descifrând cărțile de instrucțiuni genetice, sau genomuri, a 11 specii de păsări, dintre care opt fără zbor. Cercetătorii au aliniat apoi acele genomuri alături de genomuri deja finalizate de la păsări, inclusiv struți, tinamous cu gât alb, kiwi maro din Insula de Nord și pinguini împărați și Adelie, precum și 25 de specii de păsări zburătoare.

Cercetătorii căutau porțiuni de ADN reglator care nu s-au schimbat prea mult pe parcursul evoluției păsărilor, un indiciu că ADN-ul îndeplinește o funcție importantă. Dintre 284.001 de porțiuni comune, relativ neschimbate, ale ADN-ului de reglementare, cercetătorii au descoperit 2.355 care au acumulat mai multe mutații decât era de așteptat la păsările ratite, dar nu și la alte linii de păsări. Multitudinea de mutații indică faptul că acele fragmente de ADN de reglementare evoluează mai repede decât alte părți ale genomului și s-ar putea să-și fi pierdut funcțiile inițiale. Urmărirea când au avut loc accelerațiile evolutive i-a determinat pe cercetători la concluzia că ratitele și-au pierdut zborul de cel puțin trei ori și, posibil, de până la cinci ori.

Acești biți de ADN de reglementare au avut tendința de a fi localizați în apropierea genelor implicate în dezvoltarea membrelor, un indiciu că ar putea modifica activitatea genelor pentru a produce aripi mai mici. Echipa a testat capacitatea unui astfel de bit de reglare ADN, numit amplificator, de a activa o genă în dezvoltarea aripilor de pui embrionare. O versiune a amplificatorului din tinamous cu crestă elegantă – care poate zbura – a activat gena, dar o versiune a aceluiași potențiator de la rhea mare care nu zboară nu a făcut-o. Acest rezultat indică faptul că modificările acelui amplificator i-au dezactivat funcția de dezvoltare a aripilor și ar fi putut contribui la lipsa de zbor la rheas, spun oamenii de știință.

O ipoteză actuală pentru motivul pentru care ratitele, cu excepția tinamelor, nu zboară este că strămoșul tuturor speciilor și-a pierdut capacitatea de a zbura, iar tinamul a recâștigat-o mai târziu. „Pur și simplu nu credem că acest lucru este foarte plauzibil”, spune Edwards. Mai degrabă, strămoșul ratitelor probabil ar putea zbura, iar tinamusul și-a păstrat această abilitate, în timp ce păsările înrudite și-au pierdut capacitatea, mai ales din cauza modificărilor ADN-ului de reglementare, spune el. „Bănuiala mea este că este relativ ușor să pierzi zborul”, spune el.

În afară de strămoșul păsărilor, zborul a evoluat doar de câteva ori: la pterozauri, la lilieci și poate de câteva ori la insecte, spune Edwards. Păsările și-au pierdut zborul de mai multe ori. Nu există exemple cunoscute de recăpătare a zborului odată ce acesta a fost pierdut, spune el.

Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că mai mult de 200 de gene care codifică proteine ​​evoluau – construind mutații – mai repede decât se aștepta la ratitele care nu zboară, dar acele gene aveau tendința de a fi legate mai degrabă de metabolism decât de micșorarea aripilor. Aceste modificări de codificare a proteinelor nu sunt la fel de importante pentru pierderea zborului precum modificările ADN-ului de reglementare, concluzionează cercetătorii.

Dovezile nu-l convinge pe biologul evoluționist Luisa Pallares de la Universitatea Princeton. „Această lucrare joacă un joc vechi”, spune ea, punând în față modificările de reglementare ale ADN-ului cu cele care codifică proteine ​​pentru importanță evolutivă. „Eu personal nu văd rost să fac asta.” Ambele se întâmplă și pot fi la fel de importante în modelarea evoluției, spune ea.