Παραβλέψαμε τις ανάγκες των πουλιών

Ένας τεράστιος αστεροειδής έπεσε στη Γη πριν από περίπου 65 εκατομμύρια χρόνια. Ενώ στους επίγειους δεινόσαυρους αρέσουν οι φημισμένοι

τυρανόσαυρος Ρεξ

εξαφανίστηκαν, πολλά πτηνά άρχισαν πραγματικά να ευδοκιμούν. Λαμβάνοντας υπόψη ότι υπάρχουν περισσότερα από 10.000 είδη πουλιών στη Γη, η άνθηση μπορεί να είναι ακόμη και υποτίμηση. Το να κρατάς τα πουλιά οργανωμένα σε ένα τακτοποιημένο γενεαλογικό δέντρο είναι λίγο ηράκλειο έργο, καθώς υπάρχουν τόσα πολλά είδη και η εξέλιξή τους ήταν λίγο ασαφής. Ωστόσο, ορισμένες πρόοδοι στην γονιδιωματική αλληλουχία και ανάλυση αρχίζουν να δημιουργούν μια πιο ξεκάθαρη εικόνα για το πώς εξελίχθηκαν οι ζωντανοί δεινόσαυροι του πλανήτη.

Σε δύο μελέτες που δημοσιεύτηκαν την 1η Απριλίου στα περιοδικά


Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών


(PNAS) και


Φύση


, οι επιστήμονες αποκαλύπτουν ότι ένα γενετικό γεγονός πριν από περίπου 65 εκατομμύρια χρόνια τους έχει παραπλανήσει σχετικά με την αληθινή ιστορία της εξέλιξης των πτηνών. Ένα τμήμα ενός χρωμοσώματος δεν έχει αναμιχθεί με το κοντινό DNA όπως θα έπρεπε. Αυτό το τμήμα είναι μόνο ένα μικρό κλάσμα του γονιδιώματος των πτηνών, αλλά ήταν αρκετό για να δυσκολέψει τους επιστήμονες να δημιουργήσουν ένα πιο λεπτομερές οικογενειακό δέντρο πτηνών.

Ένα κολλώδες κομμάτι DNA

το 2014,

Η πρόοδος στην τεχνολογία υπολογιστών που χρησιμοποιείται για τη μελέτη γονιδιωμάτων βοήθησε τους επιστήμονες να συνθέσουν ένα οικογενειακό δέντρο για τους Neoaves. Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει την πλειοψηφία των ειδών πτηνών. Χρησιμοποιώντας τα γονιδιώματα 48 ειδών, αυτοί

χώρισε τους Neoaves σε δύο μεγάλες κατηγορίες

. Τα περιστέρια και τα φλαμίνγκο ήταν σε μια ομάδα και όλα τα άλλα είδη πουλιών ανήκαν στην άλλη ομάδα.

Όταν επαναλήφθηκε παρόμοια γενετική ανάλυση χρησιμοποιώντας 363 είδη πτηνών

για αυτή τη νέα μελέτη,

η ομάδα είδε να αναδύεται ένα διαφορετικό γενεαλογικό δέντρο. Αυτό δείχνει τέσσερις κύριες ομάδες και αποκαλύπτει ότι τα φλαμίνγκο και τα περιστέρια σχετίζονται πιο απομακρυσμένα και όλα επέστρεψαν σε ένα συγκεκριμένο σημείο στα χρωμοσώματα.

[Related:


Birds are so specialized to their homes, it shows in their bones


.]

Μέσα σε αυτά τα δύο γενεαλογικά δέντρα, η ομάδα αναζήτησε εξηγήσεις που θα μπορούσαν να τους πουν ποια ήταν η σωστή. Βρήκαν ένα σημείο στο γονιδίωμα, όπου τα γονίδια δεν ήταν τόσο αναμεμειγμένα μεταξύ τους όσο θα έπρεπε για εκατομμύρια χρόνια σεξουαλικής αναπαραγωγής.

«Όταν κοιτάξαμε τα μεμονωμένα γονίδια και ποιο δέντρο υποστήριζαν, ξαφνικά εμφανίστηκε ότι όλα τα γονίδια που υποστηρίζουν το παλαιότερο δέντρο, βρίσκονται όλα σε ένα σημείο», ένας από τους συγγραφείς της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο

PNAS

και ο βιολόγος του Πανεπιστημίου της Φλόριντα Edward Braun

είπε σε δήλωση

. «Αυτό ξεκίνησε το όλο πράγμα».

Τα πουλιά συνδυάζουν γονίδια από πατέρα και μητέρα στην επόμενη γενιά, αλλά πρώτα αναμειγνύουν τα γονίδια που κληρονόμησαν από τους πειρατές τους όταν δημιουργούν σπέρμα και ωάρια. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται

ανασυνδυασμός

και είναι επίσης κάτι που συμβαίνει στους ανθρώπους. Ο ανασυνδυασμός μεγιστοποιεί τη γενετική ποικιλότητα ενός είδους διασφαλίζοντας ότι δεν υπάρχουν δύο αδέρφια ακριβώς ίδια.

Ένα τμήμα ενός χρωμοσώματος δεν αναμειγνύεται με το DNA κοντά όπως θα έπρεπε και βασικά έχει ξοδευτεί

εκατομμύρια χρόνια παγωμένα στο χρόνο

. Αυτό το χρωμοσωμικό τμήμα αποτελεί μόνο το δύο τοις εκατό του γονιδιώματος των πτηνών, αλλά ήταν αρκετό για να πείσει τους επιστήμονες ότι τα περισσότερα πτηνά θα μπορούσαν να ομαδοποιηθούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες – Passerera και Columbea. Αυτό το νέο και πιο ακριβές γενεαλογικό δέντρο λαμβάνει υπόψη αυτό το παραπλανητικό τμήμα του γονιδιώματος των πτηνών και προσδιορίζει τέσσερις κύριες ομάδες πτηνών.

Η ομάδα βρήκε επίσης στοιχεία ότι αυτό το σημείο στο χρωμόσωμα του πτηνού έχει καταστείλει τη διαδικασία ανασυνδυασμού από τότε που εξαφανίστηκαν οι δεινόσαυροι. Δεν είναι σαφές εάν το

Κρητιδική-τριτογενής εξαφάνιση που εξαφάνισε τους δεινόσαυρους

και αυτές οι γονιδιωματικές ανωμαλίες σχετίζονται.

Το αποτέλεσμα αυτής της γενετικής καταστολής είναι ότι τα φλαμίνγκο και τα περιστέρια έμοιαζαν μεταξύ τους σε αυτό το ένα κολλώδες κομμάτι DNA, αλλά δύο ομάδες είναι στην πραγματικότητα πιο απομακρυσμένες συγγενείς όταν εξετάζουμε ολόκληρο το γονιδίωμά τους. Τα φλαμίνγκο και τα περιστέρια μπορούν πλέον να θεωρηθούν γενετικά συγγενικά πιο απομακρυσμένα. Σύμφωνα με την ομάδα, αυτό το είδος κολλημένου γενετικού μυστηρίου θα μπορούσε να κρύβεται στα γονιδιώματα άλλων οργανισμών.

Χτίζοντας ένα καλύτερο οικογενειακό δέντρο πουλιών

ο

μελέτη που δημοσιεύτηκε στο

Φύση


περιγράφει λεπτομερώς ένα περίπλοκο διάγραμμα που περιγράφει λεπτομερώς 93 εκατομμύρια χρόνια εξελικτικών σχέσεων μεταξύ 363 ειδών πουλιών, ή περίπου το 92 τοις εκατό όλων των οικογενειών πουλιών. Αυτό το ενημερωμένο γενεαλογικό δέντρο αποκάλυψε μοτίβα στην εξελικτική ιστορία των πτηνών μετά την Κρητιδική-τριτογενή εξαφάνιση.

[Related:


Dinosaurs may have evolved into birds, but early flights didn’t go so well


.]

ο

παρατήρησαν οι ερευνητές

απότομες αυξήσεις στο πραγματικό μέγεθος του πληθυσμού, τα ποσοστά υποκατάστασης και το σχετικό μέγεθος του εγκεφάλου στα πρώιμα πτηνά. Αυτές οι εξελικτικές αλλαγές ρίχνουν νέο φως στους προσαρμοστικούς μηχανισμούς που οδήγησαν στη διαφοροποίηση των ειδών πτηνών στον απόηχο αυτού του γεγονότος εξαφάνισης που αλλάζει τον πλανήτη.

Για να γίνει αυτό, αξιοποίησαν τη δύναμη του α

σουίτα αλγορίθμων υπολογιστών γνωστών ως ASTRAL

. Αυτό το πρόγραμμα βοηθά να συναχθούν οι εξελικτικές σχέσεις γρήγορα και με ακρίβεια και επιτρέπει στην ομάδα να ενσωματώσει τα γονιδιωματικά δεδομένα από περισσότερες από 60.000 περιοχές σε γονιδιώματα πτηνών. Στη συνέχεια εξετάζουν την εξελικτική ιστορία μεμονωμένων τμημάτων σε όλο το γονιδίωμα και συγκέντρωσαν πολλά δέντρα γονιδίων για να δημιουργήσουν ένα μεγαλύτερο δέντρο ειδών.

«Διαπιστώσαμε ότι η μέθοδός μας για την προσθήκη δεκάδων χιλιάδων γονιδίων στην ανάλυσή μας ήταν πραγματικά απαραίτητη για την επίλυση των εξελικτικών σχέσεων μεταξύ των ειδών πτηνών», ο συν-συγγραφέας της μελέτης και μηχανικός υπολογιστών του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, Σαν Ντιέγκο, Siavash Mirarab.

είπε σε δήλωση

. «Χρειάζεστε πραγματικά όλα αυτά τα γονιδιωματικά δεδομένα για να ανακτήσετε αυτό που συνέβη σε αυτή τη συγκεκριμένη χρονική περίοδο πριν από 65-67 εκατομμύρια χρόνια με μεγάλη σιγουριά».

Αυτές οι υπολογιστικές μέθοδοι βοήθησαν επίσης την ομάδα να ρίξει φως στο ίδιο συγκεκριμένο τμήμα ενός χρωμοσώματος στο γονιδίωμα των πτηνών που παρέμεινε αμετάβλητο εδώ και εκατομμύρια χρόνια και κατέστησε δύσκολο για τους επιστήμονες να μελετήσουν αυτές τις αλλαγές.

«Αυτό που προκαλεί έκπληξη είναι ότι αυτή η περίοδος κατασταλμένου ανασυνδυασμού θα μπορούσε να παραπλανήσει την ανάλυση», είπε ο Braun. «Και επειδή θα μπορούσε να παραπλανήσει την ανάλυση, ήταν στην πραγματικότητα ανιχνεύσιμο για περισσότερα από 60 εκατομμύρια χρόνια στο μέλλον. Αυτό είναι το ωραίο κομμάτι.”

Σε μελλοντικές μελέτες, παρόμοια μοντέλα υπολογιστών θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ανακατασκευή των εξελικτικών δέντρων για μια ποικιλία άλλων ζώων. Η ομάδα ελπίζει να συνεχίσει τις προσπάθειές της για να δημιουργήσει μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα της εξέλιξης των πτηνών. Οι βιολόγοι συνεχίζουν επίσης να αναλύουν την αλληλουχία των γονιδιωμάτων άλλων ειδών πτηνών σε μια προσπάθεια να επεκτείνουν ακόμη περισσότερο το γενεαλογικό τους δέντρο.

Το έργο είναι μέρος του διεθνούς

Έργο Bird 10.000 Genomes (B10K).

μια πολυθεσμική προσπάθεια με στόχο τη δημιουργία πρόχειρων αλληλουχιών γονιδιώματος για περίπου 10.500 ζωντανά είδη πτηνών.