尽管“绝望的怪物”突变，野生鱼类仍然茁壮成长
由斯坦福大学医学院的研究人员领导的一系列实验，包括鱼类连接、CRISPR和跳湖，证实了一个长期存在但尚未得到证实的关于自然进化的假设。这也驳斥了智能设计论支持者所青睐的观点，他们认为自然发生的突变只会损害或摧毁动物，不会导致有用的新特征和身体结构。
研究人员发现了一种关键发育基因的反复变化，这种基因可以增加一种叫做刺鱼的主要防御刺的数量并控制其长度。新的脊椎特征提高了鱼在面对各种各样的捕食者时的生存能力——这与反进化论者的一个关键断言背道而驰，即重大变化总是会使动物不适合在野外生存。
科学家们已经知道，这种名为HOX的基因调控的变化，在发育过程中控制着主要身体结构的发育大卫·金斯利博士，发育生物学教授。“新的是，我们最终证明了这种基因的突变会在野生动物身上产生重大变化——帮助鱼类在自然环境中茁壮成长的新特征。我们的发现反驳了一种常见的观点，即这些类型的基因是如此重要，如此重要，以至于在这些区域发生突变的动物无法在自然界中生存——如果你玩弄调控大师，你只会制造出一个绝望的怪物。”
金斯利，HHMI的研究员和鲁迪J.和达芙妮多诺休蒙策教授，是该研究的资深作者研究的文章于9月1日在网上发表自然生态与进化．研究生Julia Wucherpfennig是这项研究的主要作者。
虽然进化的概念被广泛接受，但它可以以不同的方式发生。退化进化是指失去现有的、以前有用但现在不利或无用的特征，从而使动物更适合其自然环境。这些变化几乎总是中性的——想想洞穴鱼在黑暗中经过几代之后失去了眼睛——或者是有益的，就像早期人类褪去了我们类人猿亲戚的毛茸茸的外衣，使我们能够在不过热的情况下长距离追逐猎物。
碰运气的游戏
相比之下，当生物获得新的特征，使它们能够在竞争中胜出时，就会发生渐进进化。但这种改变本质上是一种信念的飞跃，相当于掷基因骰子，希望它们都是六点。更小、更渐进的改变风险更小。大的结构变化，有时被称为大效应突变，可能特别危险:想象有一天，你带着第三条腿或两个脑袋昂首阔步走出公寓。当你跑着赶公共汽车时，你会比你的邻居更有优势吗?还是你更容易被绊倒，一头栽进车流中?
虽然有一些例子表明，动物通过HOX基因的变化获得了自然界中有益的特征——果蝇在腿上进化出了特定的感觉刚毛模式，一些蜜蜂在腹部获得了独特的颜色——但这些区域的突变引起的大多数主要结构上的增益都是有害的。
金斯利说:“实验室培育的四翅果蝇是一个著名的例子，说明在HOX基因的调控区域进行相对简单的基因改变可以极大地改变动物的体型。”“但是因为这些苍蝇不能在野外生存，反进化的支持者就抓住了它们——不是作为基因如何推动进化的好例子，而是作为基因改变只会让动物功能下降的证据。”
两到四英寸长的刺鱼，背部有不同数量的尖刺，是很好的研究对象，因为它们随着环境条件的变化而迅速而戏剧性地进化。一个充斥着吃鱼昆虫的湖泊通常是刺鱼的栖息地，刺鱼的刺更少、更短。但是，如果一个池塘里有更大的鱼或鸟，它们会把鱼棒整个吞下去，那么这个池塘里的刺鱼很可能会有更长、更多、刺得喉咙发痒的刺鱼。长满水草的森林非常适合灵活滑滑的鱼类，它们可以隐藏在植被中，而在开阔的海洋中，装甲板和可怕的刺是最好的选择。
金斯利实验室从一种水配对开始了这项研究。之前的研究生将一条来自不列颠哥伦比亚省淡水湖的双刺雌性棘鱼与一条来自加州博德加湾咸水的三刺雄性棘鱼杂交。然后，他们将匹配的后代相互杂交，并分析它们脊椎的数量和形状。在这590条巨鱼中，大多数都有3根刺，但6条有2根刺，21条有4根刺——比它们的任何祖先都多。对这种有不同刺的鱼的广泛遗传研究确定了一个名为HOXDB的基因周围区域的差异，该基因是HOX基因家族的成员。
基因和解剖学之间的联系
Wucherpfennig继续从北美无数的湖泊和溪流中收集和杂交棘鱼，研究它们的基因组成，并使用CRISPR方法确认HOXDB基因对背棘的影响。她在HOXDB基因附近的区域发现了一组变化，并表明它们与野生鱼类防御装甲中正在进化的主要解剖变化有关。
金斯利说:“在新斯科舍省，一些棘鱼种群已经进化到有5根甚至6根刺。”“大自然保留了该基因的编码区域，但改变了它在正常发育过程中的表达方式和时间，以增加结构，而不是将其剥离。具有这些新结构的鱼类在完全野生的环境中茁壮成长，受到各种环境压力的影响。”
Wucherpfennig和她的同事表明，HOXDB基因调控区域的反复变化是她在北美研究的两种不同棘鱼最近进化出新脊柱模式的原因。他们现在有兴趣了解类似的变化是否会导致亲缘关系更远的鱼类的差异。
“是否存在可预测的规则来控制进化变化?”金斯利说。“自然物种是一遍又一遍地使用同样的把戏，还是每次都要发明一个新把戏?”到目前为止，即使在这些来自不同环境的非常不同的刺鱼身上，也有相同的基因。在这里，我们表明，大自然经常添加主要结构，以产生更适合环境的动物，并且它使用相同的主调节基因反复这样做。这是渐进进化的决定性论据，学术界和非学术界已经争论了几十年。”
参考:吴海芬，刘志强，张志强，等。通过HOXDB中独立的顺式调节变化的刺鱼刺的进化。Nat Ecol Evol．2022.doi:10.1038 / s41559 - 022 - 01855 - 3
本文已从以下地方重新发布材料．注:材料的长度和内容可能经过编辑。如需进一步信息，请联系所引用的来源。
