由斯坦福醫(yī)學院的研究人員領導的一系列實驗，包括魚類勾搭，CRISPR和湖泊跳躍，已經證實了一個長期存在但未經證實的自然進化假設。它還揭穿了智能設計支持者所青睞的一個話題，他們認為自然發(fā)生的突變只會損害或摧毀動物，而不能導致有用的新特征和身體結構。
研究人員發(fā)現了一個關鍵發(fā)育基因的調節(jié)的反復變化，這種變化增加了稱為棘背的魚的主要防御棘的數量并控制了其長度。面對不同的捕食者，新的脊柱特征提高了魚類的生存能力——面對反進化論者的一個關鍵斷言，即重大變化總是會讓動物不適合在野外生存。
“科學家們已經知道，這種稱為HOX的基因的調節(jié)變化控制著發(fā)育過程中主要身體結構的發(fā)展，”發(fā)育生物學教授David Kingsley博士說。“新的情況是，我們最終表明，這種基因的突變會導致野生動物發(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。我們的發(fā)現駁斥了一個普遍的論點，即這些類型的基因如此重要，如此基本，以至于在這些區(qū)域具有突變的動物無法在自然界中生存 - 如果你與主要調節(jié)器一起玩，你只會制造出一個無望的怪物。
金斯利是HHMI的一名研究員，魯迪J.和達芙妮·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)學與進化》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進化是失去現有的，以前有用但現在不利或無用的特征，導致動物更適合其自然環(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，使我們能夠長距離追逐獵物而不會變得過熱。
機會游戲
相比之下，當生物體獲得新的特征，使它們能夠超越同行時，就會發(fā)生漸進的進化。但這種變化本質上是一種信念的飛躍，相當于擲出基因骰子，希望它們都達到六分之一。更小、更漸進的變化風險更小。大的結構變化，有時被稱為大效應突變，可能特別可怕：想象一下，有一天你走出公寓，運動第三條腿，或兩個頭。當你跑公共汽車時，你會比你的鄰居更有優(yōu)勢，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，動物從HOX基因的變化中獲得自然界的有益性狀 - 果蠅進化出腿上感覺剛毛的特定模式，一些蜜蜂在腹部獲得了獨特的顏色 - 由這些區(qū)域的突變引起的大多數主要結構增益都是有害的。
“實驗室培育的四翅果蠅是一個著名的例子，說明HOX基因調節(jié)區(qū)域中相對簡單的遺傳改變如何顯著改變動物的體形，”金斯利說。“但由于這些蒼蠅無法在野外生存，反進化的支持者抓住了它們 - 不是基因如何驅動進化的好例子，而是基因變化只會使動物的功能降低的證據。
兩到四英寸長的棘背魚，沿著它們的背部運動著不同數量的尖刺，是很好的研究課題，因為它們在響應不斷變化的環(huán)境條件時迅速而戲劇性地進化。一個充滿食魚昆蟲的湖泊通常有刺背，刺更少，更短。但是，一個池塘里有更大的魚或鳥，它們會把魚棒整個吞下，可能會擁有一群長、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，裝甲板和強大的刺是要走的路。
金斯利實驗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，他們從那場比賽中穿過后代，并分析了他們脊柱的數量和形狀。590條大魚中的大多數有三根刺，但六條有兩根刺，21條有四根刺 - 比他們的祖先都多。對可變棘魚的廣泛遺傳研究確定了一個名為HOXDB的基因周圍的區(qū)域差異，該基因是HOX基因家族的成員。
基因與解剖學之間的聯(lián)系
Wucherpfennig繼續(xù)收集和雜交來自無數北美湖泊和溪流的棘背，研究它們的基因組成并使用CRISPR方法來確認HOXDB基因對背刺的影響。她在HOXDB基因附近的區(qū)域發(fā)現了一組變化，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變化有關。
“在新斯科舍省，一些棘背種群已經進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方式和時間，以添加結構而不是剝離它們。具有這些新結構的魚類在完全野生的環(huán)境中茁壯成長，受到各種環(huán)境壓力的影響。
Wucherpfennig和她的同事們表明，HOXDB基因調節(jié)區(qū)域的反復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化的原因。他們現在有興趣了解類似的變化是否是導致魚類差異的原因，而這些差異甚至更遙遠。
“是否有可預測的規(guī)則來管理進化變化?”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)明一個新的技巧?到目前為止，即使在這些來自不同環(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，大自然經常添加主要結構來產生更適合環(huán)境的動物，并且它使用相同的主調控基因反復這樣做。這是漸進進化論的決定性論據，幾十年來，學術界和非學術界一直在爭論這個問題。
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