Een reeks experimenten onder leiding van onderzoekers van Stanford Medicine, waaronder visaansluitingen, CRISPR en meerhoppen, heeft een al lang bestaande, maar onbewezen, veronderstelling over natuurlijke evolutie bevestigd. Het ontkracht ook een discussiepunt dat de voorkeur geniet van voorstanders van intelligent design, die hebben betoogd dat natuurlijk voorkomende mutaties alleen een dier zullen beschadigen of vernietigen en niet kunnen leiden tot bruikbare nieuwe eigenschappen en lichaamsstructuren.

De onderzoekers identificeerden herhaalde veranderingen in de regulatie van een belangrijk ontwikkelingsgen dat het aantal verhoogt en de lengte bepaalt van de belangrijkste verdedigingsstekels van een vis die de stekelbaars wordt genoemd. Nieuwe eigenschappen van de ruggengraat verbeteren de overleving van de vis in het aangezicht van verschillende roofdieren - vliegen in het licht van een belangrijke bewering van anti-evolutionisten dat grote veranderingen dieren altijd ongeschikt zullen maken om in het wild te overleven.

"Wetenschappers weten al dat veranderingen in de regulatie van dit gen, HOX genaamd, de ontwikkeling van belangrijke lichaamsstructuren tijdens de ontwikkeling beheersen", zegt David Kingsley, Ph.D., hoogleraar ontwikkelingsbiologie. "Wat nieuw is, is dat we onomstotelijk aantonen dat mutaties in dit gen grote veranderingen teweegbrengen bij wilde dieren - nieuwe kenmerken die vissen helpen gedijen in natuurlijke omgevingen. Onze bevindingen weerleggen het algemene argument dat dit soort genen zo belangrijk, zo fundamenteel zijn, dat dieren met mutaties in deze regio's zou in de natuur niet overleven - dat als je met hoofdregulatoren speelt, je alleen maar een hopeloos monster gaat maken."

Kingsley, een HHMI-onderzoeker en de Rudy J. en Daphne Donohue Munzer Professor, is de hoofdauteur van het onderzoek, dat op 1 september online werd gepubliceerd in Nature Ecology and Evolution . Afgestudeerde studente Julia Wucherpfennig is de hoofdauteur van het onderzoek.

Hoewel het concept van evolutie algemeen aanvaard is, kan het op verschillende manieren gebeuren. Regressieve evolutie is het verlies van bestaande, voorheen nuttige maar nu nadelige of nutteloze eigenschappen, wat resulteert in een dier dat meer geschikt is voor zijn natuurlijke omgeving. Deze veranderingen zijn bijna altijd neutraal - denk aan grotvissen die hun ogen hebben verloren na generaties in duisternis - of nuttig, zoals bij het afwerpen van het harige pak van onze aapverwanten in de vroege mens, waardoor we prooien over lange afstanden kunnen achtervolgen zonder oververhit te raken .

Een kansspel

Daarentegen vindt progressieve evolutie plaats wanneer organismen nieuwe eigenschappen verwerven waardoor ze hun soortgenoten kunnen overtreffen. Maar dergelijke veranderingen zijn in wezen een sprong in het diepe die gelijk staat aan het gooien van de genetische dobbelstenen en hopen dat ze allemaal zesen opleveren. Kleinere, meer geleidelijke veranderingen zijn minder riskant. Grote structurele veranderingen, ook wel mutaties met een groot effect genoemd, kunnen bijzonder lastig zijn:stel je voor dat je op een dag je appartement uitstapt met een derde been of twee hoofden. Zou je een voordeel hebben ten opzichte van je buren als je naar de bus rent, of heb je meer kans om te struikelen en als eerste in het verkeer te vallen?

Hoewel er enkele gevallen zijn geweest waarin dieren gunstige eigenschappen in de natuur hebben gekregen door veranderingen in HOX-genen - fruitvliegen ontwikkelden specifieke patronen van sensorische borstelharen op hun benen en sommige honingbijen kregen een kenmerkende kleur op hun buik - de meeste grote structurele voordelen veroorzaakt door mutaties in deze regio's zijn schadelijk geweest.

"In het laboratorium gekweekte viervleugelige fruitvliegjes zijn een beroemd voorbeeld van hoe relatief eenvoudige genetische veranderingen in regulerende regio's van de HOX-genen de lichaamsvorm van een dier drastisch kunnen veranderen," zei Kingsley. "Maar omdat deze vliegen niet in het wild kunnen overleven, hebben voorstanders van anti-evolutie ze gegrepen - niet als goede voorbeelden van hoe genen de evolutie aansturen, maar als bewijs dat genveranderingen dieren alleen maar minder functioneel kunnen maken."

Twee tot vier inch lange stekelbaarsvissen, die verschillende aantallen puntige stekels langs hun rug hebben, zijn geweldige onderzoeksonderwerpen omdat ze snel en dramatisch evolueren als reactie op veranderende omgevingsomstandigheden. Een meer vol met visetende insecten herbergt vaak stekelbaarsjes met minder en kortere stekels om te grijpen. Maar een vijver met grotere vissen of vogels die hun vissticks heel doorslikken, zal waarschijnlijk bogen op een populatie stekelbaarzen met langere, talrijkere keelkrabbende stekels. Bossen met waterig onkruid zijn geweldig voor flexibele, glibberige vissen die zich kunnen verstoppen in de vegetatie, terwijl in de open oceaan gepantserde platen en formidabele stekels de juiste keuze zijn.

Het Kingsley-lab begon het onderzoek met een beetje waterige matchmaking. Eerdere afgestudeerde studenten staken een tweedoornige vrouwelijke stekelbaars over uit een zoetwatermeer in British Columbia met een driedoornige mannelijke stekelbaars uit de zoute wateren van Bodega Bay, Californië. Vervolgens kruisten ze de nakomelingen van die wedstrijd met elkaar en analyseerden het aantal en de vorm van hun stekels. De meeste van de 590 grote vissen hadden drie stekels, maar zes hadden twee stekels en 21 hadden vier stekels - meer dan hun voorouders. Uitgebreide genetische studies van de variabel doornige vis hebben de verschillen aangetoond in de regio rond een gen genaamd HOXDB, dat lid is van de HOX-familie van genen.

Een verband tussen genen en anatomie

Wucherpfennig ging door met het verzamelen en kruisen van stekelbaarzen uit talloze Noord-Amerikaanse meren en beken, bestudeerde hun genetische samenstelling en gebruikte CRISPR-methoden om de effecten van het HOXDB-gen op dorsale stekels te bevestigen. Ze vond een reeks veranderingen in regio's in de buurt van het HOXDB-gen en toonde aan dat ze geassocieerd waren met grote anatomische veranderingen die zich ontwikkelen in het verdedigingspantser van wilde vissen.

"In Nova Scotia zijn sommige van de stekelbaarspopulaties geëvolueerd om vijf of zelfs zes stekels te hebben," zei Kingsley. "De natuur heeft het coderende gebied van dit gen intact gelaten, maar veranderde hoe en wanneer het tijdens de normale ontwikkeling tot expressie wordt gebracht om structuren toe te voegen in plaats van ze weg te halen. En vissen met deze nieuwe structuren gedijen in een volledig wilde omgeving die wordt onderworpen aan een hele reeks omgevingsfactoren druk."

Wucherpfennig en haar collega's toonden aan dat herhaalde veranderingen in de regulerende regio's van het HOXDB-gen verantwoordelijk zijn voor de recente evolutie van nieuwe ruggengraatpatronen in twee verschillende stekelbaarssoorten die ze uit heel Noord-Amerika bestudeerde. Ze zijn nu geïnteresseerd in het leren of soortgelijke veranderingen verantwoordelijk zijn voor verschillen in vissen die nog verder verwant zijn.

"Zijn er voorspelbare regels die evolutionaire verandering regeren?" zei Kingsley. "Gebruiken natuurlijke soorten steeds weer dezelfde truc, of moeten ze elke keer een nieuwe truc uitvinden? Tot nu toe is het hetzelfde gen geweest, zelfs in deze zeer uiteenlopende stekelbaarzen uit verschillende omgevingen. Hier laten we zien dat de natuur routinematig belangrijke structuren om dieren te genereren die meer geschikt zijn voor de omgeving, en dat het dit herhaaldelijk doet met behulp van hetzelfde hoofdregulerende gen. Het is een beslissend argument voor progressieve evolutie, waarover al tientallen jaren wordt gedebatteerd in academische en niet-academische kringen." + Verder verkennen

Zoetwatervondst:door genetisch voordeel kunnen sommige zeevissen zoetwaterhabitats koloniseren