美科学家发现“达尔文地雀”进化关键基因

2015.12.18 15:25:14 来源:新浪网 作者:新浪网

生活在加拉帕戈斯群岛大达夫尼岛上的一种大地雀(Geospiza magnirostris)。经由普林斯顿大学出版社许可引用(Credit: B. R. Grant)

生活在加拉帕戈斯群岛大达夫尼岛上的一种大地雀(Geospiza magnirostris)。经由普林斯顿大学出版社许可引用(Credit: B. R. Grant)

Geospiza magnirostris近距离摄影,大达夫尼岛。经由普林斯顿大学出版社许可引用(Credit: B. R. Grant)

Geospiza magnirostris近距离摄影,大达夫尼岛。经由普林斯顿大学出版社许可引用(Credit: B. R. Grant)

Geospiza magnirostris近距离摄影,大达夫尼岛。经由普林斯顿大学出版社许可引用(Credit: B. R. Grant)

Geospiza magnirostris近距离摄影,大达夫尼岛。经由普林斯顿大学出版社许可引用(Credit: B. R. Grant)

据物理学家组织网站报道,来自美国普林斯顿大学以及瑞典乌普萨拉大学的研究人员从当年达尔文在加拉帕戈斯群岛所研究的一类雀类体内识别出一个基因,这一基因影响着鸟类喙部形状的发育,从而让当地的这一雀类能够从100多万年前的共同祖先开始,分化演化出大量具有不同鸟喙形态的分支。

这项研究展示了进化背后的基因机制,包括基因是如何从一个物种向另一个物种转移的,以及同一物种内部的基因差异如何能够塑造出一个完全不同的新物种。有关这项研究的相关论文已经发表在《自然》杂志上,并在2月11日刊出,这一天恰好是达尔文的诞辰纪念日。在他1835年的航行考察之旅中,达尔文对加拉帕戈斯群岛上的这种雀类进行了详细的观察研究,并最终导致了划时代的进化生物学巨著《物种起源》一书在1859年的最终出版。

夫妻研究搭档

普林斯顿大学名誉动物学及进化生物学教授皮特·格兰特(Peter Grant)表示:“现在对于进化生物学研究,我们已经了解了其背后更多的基因机制。”格兰特和他的妻子,同时也是论文合著者的罗斯玛丽·格兰特(B. Rosemary Grant)合作开展相关研究,后者是生态学与进化生物学领域的高级科学家。格兰特夫妇对这些生活在加拉帕戈斯群岛干燥的岩石岛礁上的雀类开展了长达40年的研究。

最新的研究结果证明了进化机制是如何以不规则的方式向前发展的。在这一过程中存在着很多的机会可以让基因在不同的物种间传播扩散并产生新的链接。如果有了合适的环境,如地理环境上与原先种群的隔绝,虽则基因差异的逐渐累积,这样的改变将最终造就一个全新的物种。

根据格兰特夫妇采集的DNA样本,瑞典乌普萨拉大学的研究人员从中识别出了控制鸟类喙部形状的基因序列并将其与120只鸟类个体的对应基因样本进行比对,这些鸟类个体全部属于“达尔文雀”下的15个不同种。研究人员仔细观察额对比具有不同喙部形状的鸟类基因序列。

在对DNA序列的检查中,研究人员发现一种名为ALX1的基因,种基因此前曾经在人类额老鼠的体内被发现过,其主要作用与生物体面部特征的形成有关。突变造成这一基因没能被激活将造成人类婴儿的严重出生缺陷。

这项研究的第一作者,瑞典乌普萨拉大学功能基因研究教授里弗·安德森(Leif Andersson)表示:“这是一个有趣的案例,展示对于正常发育至关重要的基因组温和变异如何可以产生可见的进化效应。”

个体间的基因差异

然而安德森表示,在这项研究中最令人兴奋,最有趣的部分则是发现同一物种的不同成员之间这种基因同样存在着差异。比如说一种中等体型的雀类G. Fortis,其中的一部成员个体拥有较钝的喙,另外一些的喙部则较尖。

皮特·格兰特指出,这项发现具有重要意义,因为它揭示了进化机制是如何起作用的。在同一物种内部,当某些个体产生出对其生存有利的某些特性——如较钝的喙可以让它们更方便地打碎果实的外壳,于是便有更多的机会生存下来并繁殖后代,从而在这一过程中将相关的基因遗传下去,而那些喙部较尖的个体则由于在竞争中处于劣势而逐渐消亡。格兰特表示:“这就是基因内在的差异性,在这一基础上,自然选择将发挥它的作用。”

在加拉帕戈斯群岛上,鸟类喙部的形状对于它们在当地环境中的生存是至关重要的,因为这里会周期性的遭遇严重干旱的侵袭,而当遭遇厄尔尼诺年则会发生严重的暴雨,当然还有时不时发生的火山爆发。鸟类在这里使用它们较钝的喙敲开坚硬的种子外皮,从草丛中搜寻小昆虫,在仙人掌的花朵里摄取花蜜。当遭遇大旱时,只有那些可以从多种来源获得食物的鸟类个体才有最大的机会生存下来,而其他无法适应环境的鸟类则只能逐渐消亡。

在过去的40年时间里,格兰特夫妇和他们的研究组已经注意到,在1977年,1985年以及2004年发生的严重干旱期间,鸟类喙部的大小和形态差异已经通过自然选择的机制在当地雀类的进化过程中扮演重要角色。罗斯玛丽表示:“现在我们有了一项基础较为坚实的理论,因为我们在过去的40年时间里已经三次目睹事情的发生。”

基因漂移

这项发表在《自然》杂志上的研究工作还探讨了当两种具有较近亲缘关系的物种相互交配时导致的基因在不同物种之间的扩散问题。尽管在鸟类中,当这类情况发生时,其得到的后代往往四不具有繁殖能力的,但加拉帕戈斯群岛的雀类某些杂交后代却可以与两个物种双方的其中任意一种进行交配繁殖。这样繁殖的幼鸟可以通过叫声和外观判别出它们的父母亲鸟种类,但它们的体内则携带有来自另一种鸟类的基因遗传信息。

通过这种被称作“基因漂移”或“基因渗透”的效应,基因物质可以在不同的近亲物种间发生扩散,从而为新物种的产生创造条件。格兰特夫妇发现在过去的40年间,在加拉帕戈斯群岛的大达夫尼岛(Daphne Major Island)上已经发生了基因漂移现象。而最新的研究结果则进一步表明,在鸟类占据这片群岛的过去100万年间,基因漂移事实上就已经广发而持续的发生着,这些发现和结果都帮助研究人员刷新了这一群岛上物种分异演化的旧有理解。

皮特·格兰特表示:“我们现在将更有把握做出估算,判断哪些种类是比较古老的,哪些种类则是较为年轻的,以及生物进化发生的大致时间。”

责任编辑:周颖标签: 基因漂移 基因差异 基因机制 基因检测
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