Вскоре после того, как 66 миллионов лет назад в Землю врезался астероид, жизнь нептичьих динозавров закончилась, но началась эволюционная история ранних предков птиц.
Летопись окаменелостей говорит нам, что ранние предки современных птиц начали свой эволюционный путь сразу после массового вымирания, вызванного астероидом, но исследователи не были уверены, как эта история отразится в геномах птиц.
Исследование Мичиганского университета выявило важные изменения в геномах птиц, вызванные массовым вымиранием, называемым массовым вымиранием конца мелового периода, что в конечном итоге способствовало невероятному разнообразию ныне живущих птиц.
Исследование рассмотрело эволюционную траекторию всех основных групп птиц и обнаружило доказательства наличия «геномных окаменелостей» в ДНК птиц, которые отмечают критические эволюционные шаги, когда птицы превратились в более чем 10 000 ныне живущих видов. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
«Изучая ДНК современных птиц, мы можем попытаться обнаружить закономерности генетических последовательностей, которые изменились сразу после одного из важнейших событий в истории Земли», — сказал ведущий автор Джейк Берв из Мичиганского университета. «Похоже, что следы этих событий запечатлелись в геномах выживших таким образом, что мы можем обнаружить их спустя десятки миллионов лет».
Геном живого организма состоит из четырех молекул нуклеотидов, обозначаемых буквами A, T, G и C. Порядок этих нуклеотидов в геноме определяет «чертеж» жизни.
Код ДНК иногда может эволюционировать таким образом, что сдвигает общий состав нуклеотидов ДНК по всему геному. Эти композиционные изменения имеют решающее значение для определения того, какой тип генетической вариации возможен, способствуя эволюционному потенциалу организма или его способности эволюционировать.
Исследователи обнаружили, что массовое вымирание вызвало сдвиги в составе нуклеотидов. Они также обнаружили, что эти сдвиги, по-видимому, связаны с тем, как развиваются птицы в детеныши, их размером во взрослом возрасте и их метаболизмом.
Например, в течение приблизительно 3-5 миллионов лет после массового вымирания выжившие линии птиц имели тенденцию к развитию меньших размеров тела. Они также изменили то, как они развивались в качестве птенцов, и больше видов стали «птицеедов». Это означает, что они все еще очень эмбриональны, когда вылупляются, нуждаются в кормлении со стороны родителей и могут занять недели, чтобы опериться, говорит Берв. Птицы, которые вылупляются готовыми заботиться о себе сами, такие как куры и индейки, называются «вылупившимися».
«Мы обнаружили, что размер тела взрослой особи и закономерности развития до вылупления являются двумя важными особенностями биологии птиц, которые мы можем связать с генетическими изменениями, которые мы обнаруживаем», — сказал Берв.
Берв говорит, что одной из самых важных задач в эволюционной биологии и орнитологии является выявление связей между основными группами птиц — сложно определить структуру древа жизни для ныне живущих птиц. За последние 15 лет исследователи применяли все более крупные наборы геномных данных, чтобы попытаться решить эту проблему.
Ранее исследователи использовали геномные данные для изучения эволюции геномов птиц с помощью статистических моделей, которые делают сильные предположения. Эти «традиционные» модели позволяют исследователям реконструировать историю генетических изменений, но они обычно предполагают, что состав ДНК, ее пропорция нуклеотидов A, T, G и C, не меняется на протяжении эволюционной истории.
В конце 2019 года Берв начал сотрудничать со Стивеном Смитом, профессором экологии и эволюционной биологии из Мичиганского университета, который разрабатывал программный инструмент для более точного отслеживания состава ДНК с течением времени и в различных ветвях древа жизни.
С помощью этого инструмента исследователи смогли ослабить предположение о том, что состав ДНК остается постоянным. Смит сказал, что это позволило «модели» эволюции ДНК варьироваться по эволюционному дереву и определять места, где, вероятно, произошел сдвиг в составе ДНК.
Для этого нового исследования эти сдвиги были сконцентрированы во времени, в пределах примерно 5 миллионов лет после массового вымирания в конце мелового периода, говорит Берв. Их подход также позволил им оценить, какие черты птиц были наиболее тесно связаны с этими сдвигами в составе ДНК.
«Это важный тип генетических изменений, который, как мы думаем, мы можем связать с событием массового вымирания», — сказал он. «Насколько нам известно, изменения в составе ДНК ранее не были столь явно связаны с массовым вымиранием в конце мелового периода».
Дэниел Филд, профессор палеонтологии позвоночных в Кембриджском университете и соавтор исследования, был заинтересован в понимании того, как массовое вымирание в конце мелового периода повлияло на эволюцию птиц. Он дал рекомендации относительно ранней эволюции птиц после массового вымирания.
«Мы знаем, что массовые вымирания могут существенно повлиять на биоразнообразие, экологию и форму организмов. Наше исследование подчеркивает, что эти вымирания могут на самом деле влиять на биологию организмов еще более глубоко — изменяя важные аспекты эволюции геномов», — сказал Филд. «Эта работа расширяет наше понимание драматических биологических последствий массовых вымираний и подчеркивает, что массовое вымирание, уничтожившее гигантских динозавров, было одним из самых биологически значимых событий за всю историю нашей планеты».
Исследователи утверждают, что, ослабляя типичные предположения, используемые в эволюционной биологии, они создают более детальное представление о последовательности событий, происходивших в ранней истории птиц.
«Обычно мы не рассматривали изменение состава ДНК и модели по всему древу жизни как изменение, которое означает, что что-то интересное произошло в определенный момент времени и в определенном месте», — сказал Смит. «Это исследование показывает, что мы, вероятно, что-то упускаем».
