Мы очень ошибались насчет птиц

 Липкий кусок ДНК переписывает историю эволюции птиц и встряхивает генеалогическое древо.

Новое генеалогическое древо птиц идентифицирует фламинго и голубей как более отдаленных родственников, чем считали ранее ученые. (Фото: popsci.com)

Огромный астероид врезался в Землю около 65 миллионов лет назад. В то время как наземные динозавры, такие как знаменитый тираннозавр рекс, были уничтожены, многие птичьи животные начали процветать. Учитывая, что на Земле насчитывается более 10 000 видов птиц, процветание может быть даже преуменьшением. Упорядочить птиц в аккуратном генеалогическом древе — это своего рода титаническая задача, поскольку существует так много видов, и их эволюция немного неясна. Однако некоторые достижения в области геномного секвенирования и анализа начинают создавать более ясную картину того, как развивались живые динозавры на планете.

В двух исследованиях, опубликованных 1 апреля в журналах Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) и Nature, ученые показывают, что генетическое событие, произошедшее около 65 миллионов лет назад, ввело их в заблуждение относительно истинной истории эволюции птиц. Участок одной хромосомы не смешался с близлежащей ДНК, как следовало бы. Этот участок представляет собой лишь крошечную часть генома птицы, но его было достаточно, чтобы учёным было сложно построить более детальное генеалогическое древо птиц.

Липкий кусок ДНК

В 2014 году достижения в области компьютерных технологий, используемых для изучения геномов, помогли ученым составить генеалогическое древо Неаве. В эту группу входит большинство видов птиц. Используя геномы 48 видов, они разделили неавов на две основные категории. Голуби и фламинго относились к одной группе, а все остальные виды птиц принадлежали к другой группе.

Когда аналогичный генетический анализ был повторен с использованием 363 видов птиц для этого нового исследования, команда увидела другое генеалогическое древо. Это указывает на четыре основные группы и показывает, что фламинго и голуби имеют более отдаленное родство, и все это связано с определенным местом в хромосомах.

В этих двух генеалогических древах команда искала объяснения, которые могли бы сказать им, какое из них правильное. Они нашли одно место в геноме, где гены не были так смешаны, как должно было быть за миллионы лет полового размножения.

«Когда мы посмотрели на отдельные гены и на то, какое дерево они поддерживают, внезапно выяснилось, что все гены, поддерживающие старое дерево, находятся в одном месте», — сообщил соавтор исследования, опубликованного в PNAS. и биолог из Университета Флориды Эдвард Браун сказал в своем заявлении. «Именно с этого все и началось».

Птицы объединяют гены отца и матери в следующем поколении, но сначала они смешивают гены, унаследованные от своих пиратов, при создании спермы и яйцеклеток. Этот процесс называется рекомбинацией, и он также происходит у людей. Рекомбинация максимизирует генетическое разнообразие вида, гарантируя, что никакие два брата и сестры не будут абсолютно одинаковыми.

Один участок одной хромосомы не смешался с близлежащей ДНК, как это должно было произойти, и фактически провел миллионы лет замороженным во времени. Этот хромосомный участок составляет всего два процента генома птиц, но его было достаточно, чтобы убедить ученых в том, что большинство птиц можно сгруппировать в две основные категории — Passerera и Columbea. Это новое и более точное генеалогическое древо учитывает этот вводящий в заблуждение участок птичьего генома и выделяет четыре основные группы птиц.

Две взаимоисключающие родословные птиц. Верхнее генеалогическое древо объединяет фламинго и голубей синего и бирюзового цвета соответственно, близко друг к другу, а нижнее генеалогическое древо - нет. Верхнее генеалогическое древо было построено на искажениях в геномах птиц, возникших во времена вымирания динозавров. Нижнее генеалогическое древо, вероятно, будет более точным после учета этих геномных аномалий. (Фото: popsci.com)

Команда также нашла доказательства того, что это место на хромосоме птиц подавляет процесс рекомбинации примерно со времени исчезновения динозавров. Неясно, связаны ли мел-третичное вымирание, уничтожившее динозавров, и эти геномные аномалии.

Результатом этого генетического подавления является то, что фламинго и голуби выглядели похожими друг на друга в этом липком куске ДНК, но на самом деле две группы имеют более отдаленное родство, если смотреть на их полные геномы. Фламинго и голуби теперь могут считаться более отдаленными генетически. По мнению команды, такая генетическая загадка может скрываться в геномах других организмов.

Построение лучшего генеалогического древа птиц

Исследование, опубликованное в журнале Nature, подробно описывает сложную диаграмму, подробно описывающую 93 миллиона лет эволюционных взаимоотношений между 363 видами птиц, или около 92 процентами всех семейств птиц. Это обновленное генеалогическое древо выявило закономерности в истории эволюции птиц после мелового-третичного вымирания.

Исследователи заметили резкое увеличение эффективного размера популяции, уровня замещения и относительного размера мозга у ранних пташек. Эти эволюционные изменения проливают новый свет на адаптивные механизмы, которые привели к диверсификации видов птиц после этого изменяющего планету события вымирания.

Для этого они использовали возможности набора компьютерных алгоритмов, известных как ASTRAL. Эта программа помогает быстро и точно сделать вывод об эволюционных взаимосвязях и позволяет команде интегрировать геномные данные из более чем 60 000 регионов геномов птиц. Затем они изучают эволюционную историю отдельных сегментов генома и объединяют несколько генных деревьев, чтобы построить более крупное дерево видов.

Обновленное генеалогическое древо птиц, очерчивающее 93 миллиона лет эволюционных связей между 363 видами птиц. (Фото: popsci.com)

«Мы обнаружили, что наш метод добавления десятков тысяч генов в наш анализ на самом деле был необходим для разрешения эволюционных взаимоотношений между видами птиц», — заявил в своем заявлении соавтор исследования, компьютерный инженер Калифорнийского университета в Сан-Диего Сиаваш Мирараб. «Вам действительно нужны все эти геномные данные, чтобы с высокой степенью достоверности восстановить то, что произошло в этот определенный период времени 65-67 миллионов лет назад».

Эти вычислительные методы также помогли команде пролить свет на тот самый участок одной хромосомы в геноме птиц, который оставался неизменным на протяжении миллионов лет, и затруднили ученым изучение этих изменений.

«Что удивительно, так это то, что этот период подавленной рекомбинации может ввести анализ в заблуждение», — сказал Браун. «И поскольку это могло ввести в заблуждение анализ, на самом деле его можно было обнаружить более чем через 60 миллионов лет. Это самая крутая часть».

В будущих исследованиях подобные компьютерные модели могут помочь восстановить эволюционные деревья для множества других животных. Команда надеется продолжить свои усилия по созданию более полной картины эволюции птиц. Биологи также продолжают секвенировать геномы других видов птиц, стремясь еще больше расширить их генеалогическое древо.

Эта работа является частью международного проекта «10 000 геномов птиц» (B10K) — многоинституционального проекта, целью которого является создание черновых последовательностей геномов примерно 10 500 ныне живущих видов птиц.

Источник