Vilde fisk trives trods håbløse monstermutationer, ifølge undersøgelse

En række eksperimenter ledet af forskere ved Stanford Medicine, der inkluderede fiskeforbindelser, CRISPR og søhopping, har bekræftet en langvarig, men ubevist, antagelse om naturlig evolution. Det afkræfter også et diskussionspunkt, der foretrækkes af tilhængere af intelligent design, som har hævdet, at naturligt forekommende mutationer kun vil skade eller ødelægge et dyr og ikke kan føre til nyttige nye egenskaber og kropsstrukturer.

Forskerne identificerede gentagne ændringer i reguleringen af ​​et nøgleudviklingsgen, der øger antallet og styrer længden af ​​de store defensive rygsøjler af en fisk kaldet kileryggen. Nye rygradsegenskaber forbedrer fiskens overlevelse i forhold til forskellige rovdyr – flyvende over for en nøglepåstand fra anti-evolutionister om, at store ændringer altid vil gøre dyr uegnede til at overleve i naturen.

"Forskere ved allerede, at ændringer i reguleringen af ​​dette gen, kaldet HOX, styrer udviklingen af ​​store kropsstrukturer under udvikling," sagde David Kingsley, Ph.D., professor i udviklingsbiologi. "Det nye er, at vi endegyldigt viser, at mutationer i dette gen producerer store ændringer i vilde dyr - nye funktioner, der hjælper fisk med at trives i naturlige miljøer. Vores resultater tilbageviser det almindelige argument om, at disse typer gener er så vigtige, så fundamentale, at dyrene med mutationer i disse regioner ville ikke overleve i naturen - at hvis du spiller med masterregulatorer, vil du kun lave et håbløst monster."

Kingsley, en HHMI-forsker og Rudy J. og Daphne Donohue Munzer-professoren, er seniorforfatter af forskningen, som blev offentliggjort online 1. september i Nature Ecology and Evolution . Kandidatstuderende Julia Wucherpfennig er hovedforfatter af undersøgelsen.

Selvom begrebet evolution er bredt accepteret, kan det ske på forskellige måder. Regressiv evolution er tabet af eksisterende, tidligere nyttige, men nu ugunstige eller ubrugelige egenskaber, hvilket resulterer i et dyr, der er mere egnet til dets naturlige miljø. Disse ændringer er næsten altid enten neutrale – tænk på hulefisk, der har mistet deres øjne efter generationer i mørke – eller nyttige, som i de tidlige menneskers afsked med vores abe-slægtninges behårede dragt, hvilket gør os i stand til at jage bytte over lange afstande uden at blive overophedet .

Et chancespil

I modsætning hertil opstår progressiv evolution, når organismer erhverver nye egenskaber, der giver dem mulighed for at udkonkurrere deres jævnaldrende. Men sådanne ændringer er i bund og grund et trosspring svarende til at rulle de genetiske terninger og håbe på, at de alle kommer op i seksere. Mindre, mere gradvise ændringer er mindre risikable. Store strukturelle ændringer, nogle gange kaldet mutationer med stor effekt, kan være særligt vanskelige:Forestil dig en dag, at du stritter ud af din lejlighed med et tredje ben eller to hoveder. Ville du have en fordel i forhold til dine naboer, når du løber efter bussen, eller er der større sandsynlighed for, at du snubler og falder med hovedet først ud i trafikken?

Selvom der har været nogle tilfælde, hvor dyr har fået gavnlige egenskaber i naturen fra ændringer i HOX-gener - frugtfluer udviklede specifikke mønstre af sensoriske børster på deres ben, og nogle honningbier fik karakteristisk farve på deres underliv - de fleste store strukturelle gevinster forårsaget af mutationer i disse regioner har været skadelige.

"Laboratorieopdrættede firevingede frugtfluer er et berømt eksempel på, hvordan relativt simple genetiske ændringer i regulatoriske områder af HOX-generne dramatisk kan ændre et dyrs kropsform," sagde Kingsley. "Men fordi disse fluer ikke kan overleve i naturen, har anti-evolutionsfortalere grebet dem - ikke som gode eksempler på, hvordan gener driver evolutionen, men som bevis på, at genændringer kun kan gøre dyr mindre funktionelle."

To til fire tommer lange kilefisk, som har varierende antal spidse rygsøjler langs ryggen, er gode forskningsemner, fordi de udvikler sig hurtigt og dramatisk som reaktion på skiftende miljøforhold. En sø fyldt med fiskeædende insekter huser ofte kilerygge med færre og kortere pigge at få fat i. Men en dam med større fisk eller fugle, der sluger deres fiskepinde hele, vil sandsynligvis prale af en bestand af pinderyg med længere, flere, halskradsende rygsøjler. Skove af vandigt ukrudt er fantastisk til fleksible, glatte fisk, der kan gemme sig i vegetationen, mens panserplader og formidable rygsøjler i det åbne hav er vejen at gå.

Kingsley-laboratoriet startede undersøgelsen med en plet af vandig matchmaking. Tidligere kandidatstuderende krydsede en to-pigget hunpind fra en ferskvandssø i British Columbia med en tre-pigget hanpind fra det salte vand i Bodega Bay, Californien. De krydsede derefter afkommet fra den kamp med hinanden og analyserede antallet og formen af ​​deres rygsøjler. De fleste af de 590 grand-fisk havde tre pigge, men seks havde to pigge og 21 havde fire pigge - mere end nogen af ​​deres forfædre. Omfattende genetiske undersøgelser af fisk med varierende spind påpegede forskelle i regionen omkring et gen kaldet HOXDB, som er medlem af HOX-generfamilien.

En sammenhæng mellem gener og anatomi

Wucherpfennig fortsatte med at indsamle og krydse sticklebacks fra utallige nordamerikanske søer og vandløb, studere deres genetiske sammensætning og bruge CRISPR-metoder til at bekræfte virkningerne af HOXDB-genet på rygsøjlen. Hun fandt et panel af ændringer i regioner nær HOXDB-genet og viste, at de var forbundet med store anatomiske ændringer, der udvikler sig i den defensive rustning af vilde fisk.

"I Nova Scotia har nogle af stickleback-populationerne udviklet sig til at have fem eller endda seks rygsøjler," sagde Kingsley. "Naturen efterlod den kodende region af dette gen intakt, men ændrede hvordan og hvornår det kommer til udtryk under normal udvikling for at tilføje strukturer i stedet for at fjerne dem. Og fisk med disse nye strukturer trives i et helt vildt miljø, der er udsat for en lang række miljømæssige tryk."

Wucherpfennig og hendes kolleger viste, at gentagne ændringer i de regulatoriske regioner af HOXDB-genet er ansvarlige for den seneste udvikling af nye rygsøjlemønstre i to forskellige stickleback-arter, hun studerede fra hele Nordamerika. De er nu interesserede i at lære, om lignende ændringer er ansvarlige for forskelle i fisk, der er endnu fjernere beslægtede.

"Er der forudsigelige regler, der styrer evolutionære forandringer?" sagde Kingsley. "Bruger naturlige arter det samme trick igen og igen, eller skal de opfinde et nyt trick hver gang? Hidtil har det været det samme gen selv i disse meget divergerende sticklebacks fra forskellige miljøer. Her viser vi, at naturen rutinemæssigt tilføjer større strukturer til at generere dyr, der er mere egnede til miljøet, og at det gør det gentagne gange ved hjælp af det samme master regulatoriske gen. Det er et afgørende argument for progressiv evolution, som har været diskuteret i akademiske og ikke-akademiske kredse i årtier." + Udforsk yderligere

Ferskvandsfund:Genetisk fordel gør det muligt for nogle havfisk at kolonisere ferskvandshabitater