Ein Mechanismus, wie Artenvielfalt entsteht

Ein Mechanismus, wie Artenvielfalt entsteht
Anonim

von der University of Massachusetts Amherst

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Eine neue Studie der Evolutionsbiologen der University of Massachusetts Amherst über die Entstehung von Biodiversität zeigt, wie eine Mutation in einem einzelnen Gen während der Entwicklung zu unterschiedlichen Konsequenzen führen kann, nicht nur für die Form von Schädel und Kiefer der Tiere, sondern auch für deren Entstehung unterschiedliche Fütterungsstrategien, um unterschiedliche ökologische Nischen auszunutzen.

Die Studie im Cichliden-Fischmodell von Yinan Hu, einem Doktoranden der Organismus- und Evolutionsbiologie, mit seinem Berater Craig Albertson ist eine der ersten, die untersucht, wie eine einzige genetische Veränderung sowohl die Entwicklung als auch die Funktion von Merkmalen beeinflussen kann. Die Ergebnisse erscheinen in der aktuellen frühen Online-Ausgabe der Proceedings der National Academy of Sciences .

Laut Albertson konzentrierte sich das Gebiet der evolutionären Entwicklungsbiologie (evo-devo) bisher hauptsächlich auf die Verknüpfung von Veränderungen auf Genebene mit der Evolution verschiedener anatomischer Formen oder der Morphologie. Es gelang jedoch weniger, herauszufinden, wie sich diese anatomischen Veränderungen auswirken beeinflussen, wie sich ein Organismus in seiner spezifischen Umgebung verhält. Dies hat eine Lücke im Verständnis hinterlassen, was es Arten ermöglicht, sich an neue Umgebungen anzupassen.

"Es ist nicht die Form eines Organismus, die die Fitness an sich bestimmt", stellt er fest, "sondern die Art und Weise, wie ein Organismus mit seiner Umwelt in Kontakt kommt, bestimmt sein Überleben. Die Form erzählt einen Teil dieser Geschichte, aber die Funktion bringt Sie viel näher." zu verstehen, wie gut ein Tier für seine Umgebung geeignet ist. In diesem Artikel haben wir die Diskussion darüber, wie Gene und genetische Variationen die ökologische Fitness beeinflussen, erweitert. "

In dieser Arbeit kombinierten Hu und Albertson traditionelle genetische Kartierung und experimentelle Embryologie, um zu zeigen, wie Veränderungen im ptch1 ("patch1") - Gen, einem Mitglied des Hedgehog - Signalwegs, die Schädel - und Kieferentwicklung bei afrikanischen Buntbarschen verändern und zu einer ausgeprägten Form führen Veränderungen beim Erwachsenen. Sie modellierten auch die Schädel dieser Fische, um zu zeigen, wie diese genetische Variation und ihre anatomischen Konsequenzen Unterschiede in der Fütterungsmechanik vorhersagen.

Afrikanische Buntbarsche sind ein ideales Modellsystem für die Untersuchung der Entstehung und Erhaltung der biologischen Vielfalt im Laufe der Zeit, sagt Albertson, da sie "in Bezug auf die Anzahl der Arten, die sich in einer kurzen geologischen Zeit entwickelt haben, beispiellos sind".

Hu erklärt: "Patch1 ist ein gut untersuchtes Gen, das an verschiedenen Aspekten des Aufbaus von Organismen im Laufe der Entwicklung beteiligt ist. Wir zeigen, wie die unterschiedliche Verteilung dieses Gens im Laufe der Entwicklung zu Veränderungen im Schädel führen kann, die deutliche Auswirkungen auf die Leistung dieses Fisches haben sollten ein Leben. "

"Eine Form des Gens hilft, sich schneller bewegende Kiefer zu produzieren, die in der Lage sind, sehr bewegliche Beute zu sammeln. Die alternative Form führt zur Entwicklung langsamerer, aber leistungsfähigerer Kiefer, die besser für den Verzehr von harter Beute geeignet sind. Sie erreicht dies durch." Das heißt, diese einfachen genetischen Varianten sollten einen großen Beitrag dazu leisten, dass Organismen verschiedene ökologische Nischen ausgraben können ", fügt er hinzu.

Für diese Experimente betrachten Hu und Albertson den Fischschädel nicht einfach als eine Ansammlung von Knochen, Bändern und Muskeln, sondern als ein dynamisch-mechanisches Gerät, das zu einem komplexen Bewegungsumfang fähig ist. Insbesondere haben sie das Prinzip des Maschinenbaus von Gelenkvierecken übernommen, eine einfache bewegliche Kette mit vier Gelenken, um zu verstehen, wie genetisch bedingte Schädelveränderungen zu Unterschieden in der Kieferbewegungseffizienz führen.

Fischschädel sind dynamische Einheiten mit vielen knöchernen Elementen, die sich unabhängig voneinander bewegen können. Biologen haben Konzepte des Maschinenbaus verwendet, um diese Komplexität zu verstehen. Hu und Albertson stellen in dieser Studie fest, dass genetische Veränderungen in ptch1 zu Veränderungen in der Länge von zwei von drei beweglichen Gliedern in diesem viertaktigen System führen. Das Ergebnis sind zwei verschiedene Schädelformen mit unterschiedlicher vorhergesagter Kinematik oder Geometrien der Kieferbewegung.

Zu diesen Veränderungen in der Kieferform und -kinematik sagt Albertson: "Die Auswirkungen verschiedener ptch1-Varianten auf die Kieferentwicklung können dazu beitragen, zu erklären, wie diese Gruppe es geschafft hat, in so kurzer Zeit so viele Arten zu entwickeln. Eine einzige genetische Veränderung wirkt sich aus Die natürliche Selektion muss keine Änderungen an mehreren Stellen im Genom koordinieren, damit sich eine Art an eine neue Umgebung anpassen kann. Eine geringe Anzahl von Änderungen ist wahrscheinlich ausreichend, um konkurrierende Arten in die Lage zu versetzen verschiedene Nischen ausgraben, um ihr Zusammenleben zu ermöglichen. Dies ist wirklich der springende Punkt der Artenvielfalt, wie effizient sich Arten in einem sich verändernden Umfeld anpassen können. "

Während sich die hier beschriebenen Auswirkungen von ptch1 auf die Cichlidenentwicklung auf den Unterkiefer beschränken, zeigen Albertson und Kollegen in einem anderen kürzlich erschienenen Artikel in Nature Communications, wie Änderungen in einem zweiten gut charakterisierten molekularen Weg, dem Wnt / β-Catenin-Weg, funktionell dazu führen können relevante Veränderungen im Cichlid-Oberkiefer.