En serie experiment ledda av forskare vid Stanford Medicine som inkluderade fiskanslutning, CRISPR och sjöhoppning har bekräftat ett långvarigt, men obevisat, antagande om naturlig evolution. Den avfärdar också en diskussionspunkt som gynnas av förespråkare för intelligent design, som har hävdat att naturligt förekommande mutationer bara kommer att skada eller förstöra ett djur och inte kan leda till användbara nya egenskaper och kroppsstrukturer.

Forskarna identifierade upprepade förändringar i regleringen av en nyckelutvecklingsgen som ökar antalet och styr längden på de stora defensiva ryggarna hos en fisk som kallas stickleback. Nya ryggradsegenskaper förbättrar fiskens överlevnad inför olika rovdjur – flygande inför ett centralt påstående från anti-evolutionister att stora förändringar alltid kommer att göra djur olämpliga att överleva i det vilda.

"Forskare vet redan att förändringar i regleringen av denna gen, som kallas HOX, styr utvecklingen av stora kroppsstrukturer under utvecklingen", säger David Kingsley, Ph.D., professor i utvecklingsbiologi. "Det som är nytt är att vi definitivt visar att mutationer i den här genen producerar stora förändringar hos vilda djur – nya egenskaper som hjälper fiskar att frodas i naturliga miljöer. Våra fynd motbevisar det vanliga argumentet att dessa typer av gener är så viktiga, så grundläggande, att djur med mutationer i dessa regioner skulle inte överleva i naturen – att om du spelar med masterregulatorer kommer du bara att göra ett hopplöst monster."

Kingsley, en HHMI-utredare och Rudy J. och Daphne Donohue Munzer-professorn, är seniorförfattare till forskningen, som publicerades online den 1 september i Nature Ecology and Evolution . Doktorand Julia Wucherpfennig är huvudförfattare till studien.

Även om begreppet evolution är allmänt accepterat, kan det ske på olika sätt. Regressiv evolution är förlusten av befintliga, tidigare användbara men nu ofördelaktiga eller värdelösa egenskaper, vilket resulterar i ett djur som är mer lämpat för sin naturliga miljö. Dessa förändringar är nästan alltid antingen neutrala – tänk på grottfiskar som har tappat ögonen efter generationer i mörker – eller hjälpsamma, som i tidiga människors håriga dräkt från våra apasläktingar, vilket gör det möjligt för oss att jaga byten långa sträckor utan att bli överhettade .

Ett hasardspel

Däremot sker progressiv evolution när organismer förvärvar nya egenskaper som gör att de kan konkurrera ut sina jämnåriga. Men sådana förändringar är i grunden ett troshopp som motsvarar att rulla de genetiska tärningarna och hoppas att de alla kommer upp sexor. Mindre, mer gradvisa förändringar är mindre riskfyllda. Stora strukturella förändringar, ibland kallade mutationer med stor effekt, kan vara särskilt svåra:Föreställ dig att du en dag sträcker dig ut ur din lägenhet med ett tredje ben eller två huvuden. Skulle du ha en fördel gentemot dina grannar när du springer efter bussen, eller är det mer sannolikt att du snubblar och faller med huvudet först i trafiken?

Även om det har förekommit vissa fall där djur har fått fördelaktiga egenskaper i naturen från förändringar i HOX-gener – fruktflugor utvecklade specifika mönster av känselborst på benen och några honungsbin fick distinkt färg på buken – de flesta stora strukturella vinster orsakade av mutationer i dessa regioner har varit skadliga.

"Laboratorieuppfödda fyrvingade fruktflugor är ett berömt exempel på hur relativt enkla genetiska förändringar i reglerande regioner av HOX-generna dramatiskt kan förändra kroppsformen hos ett djur," sa Kingsley. "Men eftersom dessa flugor inte kan överleva i det vilda har anti-evolutionsförespråkare gripit tag i dem - inte som bra exempel på hur gener driver evolutionen, utan som bevis på att genförändringar bara kan göra djur mindre funktionella."

Två till fyra tum långa sticklebackfiskar, som har olika antal spetsiga ryggar längs ryggen, är fantastiska forskningsämnen eftersom de utvecklas snabbt och dramatiskt som svar på förändrade miljöförhållanden. En sjö full av fiskätande insekter hyser ofta klibbalar med färre och kortare taggar att ta tag i. Men en damm med större fiskar eller fåglar som sväljer sina fiskpinnar hela kommer sannolikt att skryta med en population av sticklebacks med längre, fler, halskliande ryggar. Skogar av vattniga ogräs är bra för flexibla, hala fiskar som kan gömma sig i växtligheten, medan i det öppna havet är pansarplåtar och formidabla ryggar vägen att gå.

Kingsley-labbet startade studien med en fläck av vattnig matchmaking. Tidigare doktorander korsade en tvåryggad klibbalhona från en sötvattensjö i British Columbia med en trekotig klibbalhane från det salta vattnet i Bodega Bay, Kalifornien. De korsade sedan avkomman från den matchen med varandra och analyserade antalet och formen på deras ryggar. De flesta av de 590 grand-fiskarna hade tre taggar, men sex hade två taggar och 21 hade fyra taggar - fler än någon av deras förfäder. Omfattande genetiska studier av fisk med varierande ryggrad påvisade skillnader i regionen kring en gen som kallas HOXDB, som är en medlem av HOX-genfamiljen.

En länk mellan gener och anatomi

Wucherpfennig fortsatte att samla och korsa sticklebacks från otaliga nordamerikanska sjöar och vattendrag, studera deras genetiska sammansättning och använda CRISPR-metoder för att bekräfta effekterna av HOXDB-genen på ryggryggar. Hon hittade en panel av förändringar i regioner nära HOXDB-genen och visade att de var associerade med stora anatomiska förändringar som utvecklas i den defensiva rustningen hos vilda fiskar.

"I Nova Scotia har några av sticklebackpopulationerna utvecklats till att ha fem eller till och med sex ryggar," sa Kingsley. "Naturen lämnade den kodande regionen för denna gen intakt men ändrade hur och när den uttrycks under normal utveckling för att lägga till strukturer snarare än att ta bort dem. Och fiskar med dessa nya strukturer frodas i en helt vild miljö utsatt för en hel rad miljöer. tryck."

Wucherpfennig och hennes kollegor visade att upprepade förändringar i de reglerande regionerna av HOXDB-genen är ansvariga för den senaste utvecklingen av nya ryggradsmönster i två olika stickleback-arter som hon studerade från hela Nordamerika. De är nu intresserade av att lära sig om liknande förändringar är ansvariga för skillnader i fisk som är ännu mer avlägset besläktade.

"Finns det förutsägbara regler som styr evolutionära förändringar?" sa Kingsley. "Använder naturliga arter samma trick om och om igen, eller måste de uppfinna ett nytt trick varje gång? Hittills har det varit samma gen även i dessa mycket divergerande sticklebacks från olika miljöer. Här visar vi att naturen rutinmässigt tillför stora strukturer för att generera djur som är mer lämpade för miljön, och att den gör det upprepade gånger med hjälp av samma huvudreglerande gen. Det är ett avgörande argument för progressiv evolution, som har diskuterats i akademiska och icke-akademiska kretsar i decennier." + Utforska vidare

Sötvattenfynd:Genetisk fördel gör att vissa marina fiskar kan kolonisera sötvattenshabitat