由斯坦福醫(yī)學(xué)院的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一系列實(shí)驗(yàn)，包括魚類勾搭，CRISPR和湖泊跳躍，已經(jīng)證實(shí)了一個(gè)長(zhǎng)期存在但未經(jīng)證實(shí)的自然進(jìn)化假設(shè)。它還揭穿了智能設(shè)計(jì)支持者所青睞的一個(gè)話題，他們認(rèn)為自然發(fā)生的突變只會(huì)損害或摧毀動(dòng)物，而不能導(dǎo)致有用的新特征和身體結(jié)構(gòu)。
研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵發(fā)育基因的調(diào)節(jié)的反復(fù)變化，這種變化增加了稱為棘背的魚的主要防御棘的數(shù)量并控制了其長(zhǎng)度。面對(duì)不同的捕食者，新的脊柱特征提高了魚類的生存能力——面對(duì)反進(jìn)化論者的一個(gè)關(guān)鍵斷言，即重大變化總是會(huì)讓動(dòng)物不適合在野外生存。
“科學(xué)家們已經(jīng)知道，這種稱為HOX的基因的調(diào)節(jié)變化控制著發(fā)育過程中主要身體結(jié)構(gòu)的發(fā)展，”發(fā)育生物學(xué)教授David Kingsley博士說。“新的情況是，我們最終表明，這種基因的突變會(huì)導(dǎo)致野生動(dòng)物發(fā)生重大變化-這些新特征有助于魚類在自然環(huán)境中茁壯成長(zhǎng)。我們的發(fā)現(xiàn)駁斥了一個(gè)普遍的論點(diǎn)，即這些類型的基因如此重要，如此基本，以至于在這些區(qū)域具有突變的動(dòng)物無(wú)法在自然界中生存 - 如果你與主要調(diào)節(jié)器一起玩，你只會(huì)制造出一個(gè)無(wú)望的怪物。
金斯利是HHMI的一名研究員，魯?shù)螶.和達(dá)芙妮·多諾霍·蒙澤爾教授是該研究的資深作者，該研究于9月1日在線發(fā)表在《自然生態(tài)學(xué)與進(jìn)化》上。研究生朱莉婭·武切爾普芬尼格是該研究的主要作者。
雖然進(jìn)化的概念被廣泛接受，但它可以以不同的方式發(fā)生?；貧w進(jìn)化是失去現(xiàn)有的，以前有用但現(xiàn)在不利或無(wú)用的特征，導(dǎo)致動(dòng)物更適合其自然環(huán)境。這些變化幾乎總是中性的——想想在黑暗中幾代人后失去眼睛的洞穴魚——或者是有幫助的，比如早期人類脫掉猿類親戚的毛茸茸的西裝，使我們能夠長(zhǎng)距離追逐獵物而不會(huì)變得過熱。
機(jī)會(huì)游戲
相比之下，當(dāng)生物體獲得新的特征，使它們能夠超越同行時(shí)，就會(huì)發(fā)生漸進(jìn)的進(jìn)化。但這種變化本質(zhì)上是一種信念的飛躍，相當(dāng)于擲出基因骰子，希望它們都達(dá)到六分之一。更小、更漸進(jìn)的變化風(fēng)險(xiǎn)更小。大的結(jié)構(gòu)變化，有時(shí)被稱為大效應(yīng)突變，可能特別可怕：想象一下，有一天你走出公寓，運(yùn)動(dòng)第三條腿，或兩個(gè)頭。當(dāng)你跑公共汽車時(shí)，你會(huì)比你的鄰居更有優(yōu)勢(shì)，還是更有可能絆倒并首先陷入交通中?
雖然有一些例子表明，動(dòng)物從HOX基因的變化中獲得自然界的有益性狀 - 果蠅進(jìn)化出腿上感覺剛毛的特定模式，一些蜜蜂在腹部獲得了獨(dú)特的顏色 - 由這些區(qū)域的突變引起的大多數(shù)主要結(jié)構(gòu)增益都是有害的。
“實(shí)驗(yàn)室培育的四翅果蠅是一個(gè)著名的例子，說明HOX基因調(diào)節(jié)區(qū)域中相對(duì)簡(jiǎn)單的遺傳改變?nèi)绾物@著改變動(dòng)物的體形，”金斯利說。“但由于這些蒼蠅無(wú)法在野外生存，反進(jìn)化的支持者抓住了它們 - 不是基因如何驅(qū)動(dòng)進(jìn)化的好例子，而是基因變化只會(huì)使動(dòng)物的功能降低的證據(jù)。
兩到四英寸長(zhǎng)的棘背魚，沿著它們的背部運(yùn)動(dòng)著不同數(shù)量的尖刺，是很好的研究課題，因?yàn)樗鼈冊(cè)陧憫?yīng)不斷變化的環(huán)境條件時(shí)迅速而戲劇性地進(jìn)化。一個(gè)充滿食魚昆蟲的湖泊通常有刺背，刺更少，更短。但是，一個(gè)池塘里有更大的魚或鳥，它們會(huì)把魚棒整個(gè)吞下，可能會(huì)擁有一群長(zhǎng)、更多、撓喉嚨的刺的刺。水草森林非常適合靈活，滑溜的魚，它們可以隱藏在植被中，而在開闊的海洋中，裝甲板和強(qiáng)大的刺是要走的路。
金斯利實(shí)驗(yàn)室以水樣匹配開始研究。以前的研究生從不列顛哥倫比亞省的淡水湖中穿過一只雙棘雌性棘背，從加利福尼亞州博德加灣的咸水中穿過一只三棘雄性棘背。然后，他們從那場(chǎng)比賽中穿過后代，并分析了他們脊柱的數(shù)量和形狀。590條大魚中的大多數(shù)有三根刺，但六條有兩根刺，21條有四根刺 - 比他們的祖先都多。對(duì)可變棘魚的廣泛遺傳研究確定了一個(gè)名為HOXDB的基因周圍的區(qū)域差異，該基因是HOX基因家族的成員。
基因與解剖學(xué)之間的聯(lián)系
Wucherpfennig繼續(xù)收集和雜交來(lái)自無(wú)數(shù)北美湖泊和溪流的棘背，研究它們的基因組成并使用CRISPR方法來(lái)確認(rèn)HOXDB基因?qū)Ρ炒痰挠绊?。她在HOXDB基因附近的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一組變化，并表明它們與野生魚類防御裝甲中正在演變的主要解剖學(xué)變化有關(guān)。
“在新斯科舍省，一些棘背種群已經(jīng)進(jìn)化到有五根甚至六根刺，”金斯利說。“大自然使該基因的編碼區(qū)域保持完整，但在正常發(fā)育過程中改變了其表達(dá)方式和時(shí)間，以添加結(jié)構(gòu)而不是剝離它們。具有這些新結(jié)構(gòu)的魚類在完全野生的環(huán)境中茁壯成長(zhǎng)，受到各種環(huán)境壓力的影響。
Wucherpfennig和她的同事們表明，HOXDB基因調(diào)節(jié)區(qū)域的反復(fù)變化是她從北美各地研究的兩種不同棘背物種中新脊柱模式的最新進(jìn)化的原因。他們現(xiàn)在有興趣了解類似的變化是否是導(dǎo)致魚類差異的原因，而這些差異甚至更遙遠(yuǎn)。
“是否有可預(yù)測(cè)的規(guī)則來(lái)管理進(jìn)化變化?”金斯利說。“自然物種是一遍又一遍地使用相同的技巧，還是每次都必須發(fā)明一個(gè)新的技巧?到目前為止，即使在這些來(lái)自不同環(huán)境的非常不同的棘輪中，它也是相同的基因。在這里，我們表明，大自然經(jīng)常添加主要結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生更適合環(huán)境的動(dòng)物，并且它使用相同的主調(diào)控基因反復(fù)這樣做。這是漸進(jìn)進(jìn)化論的決定性論據(jù)，幾十年來(lái)，學(xué)術(shù)界和非學(xué)術(shù)界一直在爭(zhēng)論這個(gè)問題。
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