生物学家发现恐龙灭绝时隐藏的基因组遗产

研究发现，白垩纪末期的大灭绝极大地改变了鸟类基因组，促进了当今鸟类的进化和多样性。通过分析基因组化石和进化转变，这项研究加深了人们对大灭绝如何塑造地球生命的理解。

6600 万年前，一颗小行星撞击地球后不久，非鸟类恐龙的生命结束了，但鸟类早期祖先的进化故事却开始了。

化石记录告诉我们，现生鸟类的早期祖先在小行星造成的大灭绝事件之后就开始了他们的进化之旅，但研究人员并不确定他们将如何在鸟类基因组中看到这一故事的反映。现在，密歇根大学的一项研究确定了大灭绝（即白垩纪末大灭绝事件）在鸟类基因组中引发的重要变化，这些变化最终促成了现生鸟类令人难以置信的多样性。

这项研究考察了所有主要鸟类的进化轨迹，在鸟类的DNA中发现了"基因组化石"的证据，这些化石标志着鸟类进化为1万多个现存物种的关键进化步骤。该研究以开放获取文章的形式发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。

第一作者杰克-贝弗（Jake Berv）作为密歇根大学生态学与进化生物学系的密歇根生命科学研究员完成了这项研究，他说："通过研究活着的鸟类的DNA，我们可以尝试检测在地球历史上最重要的事件之一发生后刚刚发生变化的基因序列模式。这些事件的特征似乎已经以一种我们可以在数千万年后检测到的方式印入了幸存者的基因组中。"

生物体的基因组由四个核苷酸分子组成，分别用字母 A、T、G 和 C 表示。基因组中这些核苷酸的排列顺序决定了生命的"蓝图"。DNA 代码的进化有时会改变整个基因组中 DNA 核苷酸的整体组成。这些组成的变化对于决定什么样的遗传变异是可能的、有助于生物的进化潜力或进化能力至关重要。

研究人员发现，大灭绝事件引发了核苷酸组成的变化。他们还发现，这些变化似乎与鸟类的幼年发育方式、成年体型和新陈代谢有关。

例如，在大灭绝发生后的大约 300 万至 500 万年间，幸存的鸟类体型趋于变小。它们还改变了幼鸟的发育方式，有更多的物种变成了"离体"的。贝弗说，这意味着它们孵化时仍处于胚胎期，需要父母喂养，可能需要数周时间才能羽化。像鸡和火鸡这样孵化出来就能自食其力的鸟类被称为"前社会性鸟类"。

"我们发现，成年鸟的体型和孵化前的发育模式是鸟类生物学的两个重要特征，我们可以将它们与我们检测到的基因变化联系起来。"贝弗说，他现在是密歇根大学密歇根社会数据与人工智能研究所的 Schmidt AI in Science 博士后研究员。

贝弗说，进化生物学和鸟类学面临的最重大挑战之一是弄清主要鸟类群体之间的关系--很难确定现生鸟类的生命树结构。在过去的 15 年里，研究人员一直在应用越来越大的基因组数据集来试图解决这个问题。

以前，研究人员利用基因组数据来研究鸟类基因组的进化，使用的统计模型都有很强的假设性。这些"传统"模型允许研究人员重建基因变化的历史，但它们通常假设 DNA 的组成，即 A、T、G 和 C 核苷酸的比例在整个进化史中不会发生变化。

2019 年底，贝弗开始与麻省大学生态学和进化生物学教授斯蒂芬-史密斯（Stephen Smith）合作，后者正在开发一种软件工具，用于更密切地跟踪 DNA 随时间和生命树不同分支的组成。有了这个工具，研究人员就能放宽 DNA 成分保持不变的假设。史密斯说，这样一来，DNA进化的"模型"就可以在进化树上变化，并找出DNA组成可能发生变化的地方。

在这项新研究中，这些变化的时间集中在白垩纪末大灭绝后的大约500万年之内。他们的研究方法还让他们能够估算出哪些鸟类特征与 DNA 组成的这些变化关系最为密切。

贝弗说："这是一种重要的基因变化，我们认为可以将其与大灭绝事件联系起来。据我们所知，DNA组成的变化以前从未以如此明确的方式与白垩纪末大灭绝联系在一起"。

丹尼尔-菲尔德（Daniel Field）是美国加州大学洛杉矶分校古脊椎动物学教授。他一直对了解白垩纪末期大灭绝如何影响鸟类进化感兴趣。他为大灭绝后早期鸟类的进化提供了指导。

"我们知道，大灭绝事件会极大地影响生物多样性、生态学和生物形态。"菲尔德说："我们的研究强调，这些灭绝事件实际上可以通过改变基因组进化方式的重要方面，对生物生物学产生更加深刻的影响。"这项研究进一步加深了我们对生物大灭绝事件的巨大生物影响的理解，并强调了灭绝巨型恐龙的生物大灭绝是我们星球整个历史上对生物影响最大的事件之一。"

通过放宽进化生物学中使用的典型假设，他们对鸟类早期历史中发生的一系列事件有了更细致入微的了解。

史密斯说："我们通常不会把整个生命树中DNA组成和模式的变化看作是在某一特定时间和地点发生了有趣事情的变化。这项研究说明，我们可能遗漏了一些东西。"

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1126/sciadv.adp0114