Badania przeprowadzone na Uniwersytecie Michigan pozwoliły odkryć zmiany w genomach przodków wczesnych ptaków po masowym wymieraniu spowodowanym przez asteroidę 66 milionów lat temu, identyfikując „skamieniałości genomowe”, które ilustrują znaczące przesunięcia w DNA. Zmiany te, kluczowe dla ewolucji ptaków, ujawniają, jak takie katastrofalne zdarzenia mają głęboki i trwały wpływ na różnorodność biologiczną i biologię organizmów.
Badania pokazują, że koniecKreda masowe wymieranie znacząco zmieniło genomy ptaków, przyczyniając się do ewolucji i różnorodności współczesnych ptaków. Analizując skamieliny genomowe i zmiany ewolucyjne, badanie pozwala lepiej zrozumieć, w jaki sposób masowe wymieranie kształtuje życie na Ziemi.
Krótko po tym, jak asteroida uderzyła w Ziemię 66 milionów lat temu, życie nieptasich dinozaurów dobiegło końca, ale rozpoczęła się historia ewolucji wczesnych przodków ptaków.
Zapis kopalny mówi nam, że pierwsi przodkowie żywych ptaków rozpoczęli swoją ewolucyjną podróż tuż po masowym wymieraniu spowodowanym przez asteroidę, ale badacze nie byli pewni, w jaki sposób odzwierciedlą tę historię w genomach ptaków. Obecnie badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Michigan zidentyfikowało ważne zmiany w genomach ptaków wywołane masowym wymieraniem, zwanym masowym wymieraniem pod koniec kredy, które ostatecznie przyczyniło się do niesamowitej różnorodności żywych ptaków.
W badaniu zbadano trajektorię ewolucyjną wszystkich głównych grup ptaków i znaleziono dowody na istnienie „skamieniałości genomowych” w organizmach ptaków DNA które wyznaczają krytyczne etapy ewolucji, w których ptaki ewoluowały i powstało ponad 10 000 osobników gatunek. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie w formie ogólnodostępnego artykułu Postęp nauki.
„Badając DNA żywych ptaków, możemy spróbować wykryć wzorce sekwencji genetycznych, które zmieniły się tuż po jednym z najważniejszych wydarzeń w historii Ziemi” – powiedział główny autor Jake Berv, który ukończył badanie jako stypendysta Michigan Life Sciences w Katedra Ekologii i Biologii Ewolucyjnej UM. „Wydaje się, że sygnatura tych wydarzeń odcisnęła się w genomach ocalałych w sposób, który możemy wykryć dziesiątki milionów lat później”.
Skład genomu i potencjał ewolucyjny
Genom żywego organizmu składa się z czterech cząsteczek nukleotydów, oznaczonych literami A, T, G i C. Kolejność tych nukleotydów w genomie określa „plan” życia. Kod DNA może czasami ewoluować w sposób, który zmienia ogólny skład nukleotydów DNA w całym genomie. Te zmiany w składzie mają kluczowe znaczenie dla określenia możliwego rodzaju zmienności genetycznej, przyczyniając się do potencjału ewolucyjnego organizmu lub jego zdolności do ewolucji.
Naukowcy odkryli, że masowe wymieranie spowodowało zmiany w składzie nukleotydów. Odkryli również, że zmiany te wydają się być powiązane ze sposobem rozwoju ptaków w okresie niemowlęcym, ich rozmiarem w wieku dorosłym i metabolizmem.
Na przykład w ciągu około 3 do 5 milionów lat od masowego wymierania w liniach ptaków, które przeżyły, występowała tendencja do rozwoju mniejszych rozmiarów ciała. Zmieniły także sposób, w jaki rozwijały się jako pisklęta, a coraz więcej gatunków stało się „altrycznymi”. Oznacza to, że w momencie wyklucia są jeszcze w fazie embrionalnej i potrzebują karmienia od rodziców, a wylęganie się może zająć tygodnie – mówi Berv. Ptaki, które wykluwają się gotowe do samodzielnego radzenia sobie, takie jak kurczaki i indyki, nazywane są „przedspołecznymi”.
„Odkryliśmy, że wielkość ciała dorosłego osobnika i wzorce rozwoju przed wylęgiem to dwie ważne cechy biologii ptaków, które możemy powiązać z wykrywanymi przez nas zmianami genetycznymi” – powiedział Berv, obecnie stażysta podoktorski Schmidt AI in Science na Uniwersytecie U-M w Michigan Instytut Danych i AI w społeczeństwie.
Zaawansowane modelowanie genomu
Berv twierdzi, że jednym z najważniejszych wyzwań biologii ewolucyjnej i ornitologii jest zbadanie powiązań między głównymi grupami ptaków — trudno jest określić strukturę drzewa życia żywych ptaków. W ciągu ostatnich 15 lat naukowcy próbowali rozwiązać ten problem, wykorzystując coraz większe zbiory danych genomicznych.
Wcześniej naukowcy wykorzystywali dane genomiczne do badania ewolucji genomów ptaków przy użyciu modeli statystycznych, które opierały się na solidnych założeniach. Te „tradycyjne” modele pozwalają badaczom zrekonstruować historię zmian genetycznych, ale zazwyczaj zakładają, że skład DNA oraz proporcje nukleotydów A, T, G i C nie zmieniają się w historii ewolucji.
Pod koniec 2019 roku Berv rozpoczął współpracę ze Stephenem Smithem, profesorem ekologii i biologii ewolucyjnej na Uniwersytecie Kalifornijskim, który opracowywał narzędzie programowe umożliwiające dokładniejsze śledzenie składu DNA w czasie i w różnych gałęziach drzewa życia. Dzięki temu narzędziu naukowcom udało się złagodzić założenie, że skład DNA pozostaje stały. Smith powiedział, że pozwoliło to na zróżnicowanie „modelu” ewolucji DNA w obrębie drzewa ewolucyjnego i zidentyfikowanie miejsc, w których prawdopodobnie nastąpiła zmiana w składzie DNA.
W przypadku nowych badań zmiany te koncentrowały się w czasie, w ciągu około 5 milionów lat od masowego wymierania pod koniec kredy, mówi Berv. Ich podejście pozwoliło także oszacować, które cechy ptaków są najściślej powiązane z tymi zmianami w składzie DNA.
„To ważny rodzaj zmiany genetycznej, który naszym zdaniem można powiązać z masowym wymieraniem” – stwierdził. „O ile nam wiadomo, zmian w składzie DNA nie łączono wcześniej w tak wyraźny sposób z masowym wymieraniem pod koniec kredy”.
Daniel Field, profesor paleontologii kręgowców na Uniwersytecie im
z Uniwersytetu w Cambridge i współautor badania, był zainteresowany zrozumieniem, w jaki sposób masowe wymieranie pod koniec kredy wpłynęło na ewolucję ptaków. Dostarczył wskazówek związanych z ewolucją wczesnych ptaków po masowym wymieraniu.
„Wiemy, że masowe wymieranie może dramatycznie wpłynąć na różnorodność biologiczną, ekologię i formę organizmów. Nasze badanie podkreśla, że te zdarzenia wymierania mogą w rzeczywistości jeszcze głębiej wpłynąć na biologię organizmu – zmieniając ważne aspekty ewolucji genomów” – stwierdził Field. „Ta praca pogłębia naszą wiedzę na temat dramatycznych biologicznych skutków masowego wymierania i podkreśla, że masowe wymieranie, które unicestwiło gigantyczne dinozaury, było jednym z wydarzeń o największym wpływie biologicznym w całej historii naszej planety”.
Naukowcy twierdzą, że rozluźniając typowe założenia stosowane w biologii ewolucyjnej, uzyskują bardziej szczegółowy wgląd w sekwencję zdarzeń, które miały miejsce we wczesnej historii ptaków.
„Zazwyczaj nie postrzegaliśmy zmian w składzie i modelu DNA na drzewie życia jako zmiany polegającej na tym, że w określonym momencie i miejscu wydarzyło się coś interesującego” – powiedział Smith. „To badanie pokazuje, że prawdopodobnie coś przeoczyliśmy”.
Odniesienie: „Ewolucja genomu i historii życia łączy dywersyfikację ptaków z masowym wymieraniem pod koniec kredy” Jacob S. Berv, Sonal Singhal, Daniel J. Field, Nathanael Walker-Hale, Sean W. McHugh, J. Ryan Shipley, Eliot T. Miller, Rebecca T. Kimball, Edward L. Braun, Alex Dornburg, C. Tomomi Parins-Fukuchi, Richard O. Prum, Benjamin M. Winger, Matt Friedman i Stephen A. Smith, 31 lipca 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adp0114
