Гените ALX1 и HMGA2 определят формата и размера на клюна в чинките на Дарвин; Писанията на Санкоре;
На 27 декември 1831 г. Чарлз Дарвин (22) започва световното си турне с изследователския и проучвателен кораб HMS1 Beagle. Малкият бриг започва от Плимут в Англия и трябва да огледа бреговете на Южна Америка и да се върне в Англия през Австралия и Африка. Пътуването продължава пет години, през които Дарвин събира много животни от различни региони на света. От 15 септември до 20 октомври 1835 г. HMS Бийгъл е край Еквадор на островите Галапагос. Сред птиците, отстреляни на тези острови, са 31 екземпляра от чинките на Галапагос, наричани по-късно чинките на Дарвин.
Обратно в Англия, Дарвин отива да подреди колекциите животни, които е събрал по време на пътуването си, и отново и отново се натъква на един и същ въпрос: Животните, които изглеждат малко по-различни, са само въпрос на разлики в популацията или от различни видове? Какво прави този вид разнообразие? Как се поддържа от поколение на поколение? Дарвин цял живот се бори с тази загадка, но въпреки усилията си, той така и не намери отговора.
Понякога тези отклонения могат да бъдат разделени на класове - това е, което биолозите наричат полиморфизъм (на гръцки „разнообразие“). Познаваме генетично детерминирани полиморфизми от експериментите на Мендел с грах. Някои грахови растения имаха бели цветя, някои червени, някои грахови семена бяха зелени, други жълти, някои грахови семена бяха кръгли, други набръчкани.
Дарвин и Мендел са били съвременници, но не са били в научен обмен помежду си. Книгата на Дарвин „Различните форми на цветя върху растения от един и същи вид“ също може да доведе до откритието, което Мендел прави. Но Дарвин беше насочил вниманието си към друго: количествените вариации на чертите бяха в основата на еволюционната теория на Дарвин, а количествените вариации са последното място, където Менделевото наследство ще се разглежда в чиста форма [1]. Освен това първоначално не беше ясно как естественият подбор води до непрекъсната промяна в количествена характеристика като Б. размерът на грахово растение, ако генетичните фактори според Менделс - открити в полиморфизмите - са отделни единици. Роналд Фишър успя да разреши това очевидно противоречие през 1918 г., като показа, че взаимодействието на много гени води точно до тези непрекъснати промени, които се наблюдават в природата.
Днес генетиката е много по-напреднала, отколкото по времето на Мендел, и е неразделна част от еволюционните изследвания. Следователно еволюционните генетици се опитват за полиморфизми като Б. формата на клюна и количествените вариации на характеристиките като размера на клюна, които естественият подбор може да използва за намиране на гени.
В случая на чинките на Дарвин, формата и размерът на клюна са адаптация. В еволюционната биология адаптация означава генетично обусловената адаптация, възникнала поради мутации и естествен подбор. Специфични клетки на нервния гребен, които мигрират към черепа по време на ембрионалното развитие, са отговорни за формата и размера на клюна. По-рано не беше известно кои гени играят роля във формата и размера на клюна. Поради това Лейф Андерсон от университета в Упсала в Швеция и неговият изследователски екип са търсили гени от рода Geospiza на островите Галапагос, които са отговорни за наследствените вариации на формата на клюна [2].
За целта те сравниха ДНК последователностите на смлени чинки с тъп клюн с тези със заострен клюн през генома. Учените са изследвали три основни популации на чинки и четири основни популации на чинки:
Генетиците откриха повечето разлики в ДНК последователностите в гена ALX1 (ALX homeobox 1). Генът ALX12 кодира протеин, който е необходим за нормалното развитие на черепа и лицето при гръбначните животни. Мутациите, които инактивират гена ALX1, причиняват фронтоназална дисплазия на човека, специфично нарушение на ембрионалното развитие, което води до малформации на носа, челото и очите. Генът ALX1 вероятно е активен и в клетките на нервния гребен, които са отговорни за образуването на клюна.
Протеинът ALX1 е транскрипционен фактор. Транскрипционните фактори са регулаторни протеини, които свързват специфични последователности в ДНК за насърчаване или потискане на генната експресия. Следователно те могат да бъдат или активатори, които „включват“ генната експресия, или репресори, които „изключват“ генната експресия. По-специално, транскрипционният фактор ALX1 контролира активността на гените, които регулират клетъчния растеж и делене (пролиферация) и клетъчното движение (миграция). По време на ембрионалното развитие тези гени гарантират, че клетките растат и спират да растат в определени моменти и че те са правилно разположени в тялото.
Генетиците откриха два варианта, така наречените алели, на гена ALX1 в земните чинки. Алелът B (b = тъп) води до тъпи клюнове, алелът P (p = заострен) до заострен. По-голямата част от гените съществуват два пъти в телесните клетки на земната чинка. Ген на майката и гена на бащата. Нека майката и бащата предадат един и същ алел (т.е. същия вариант на ген) на потомството, напр. Например, в гена ALX1, и двата алела В, потомството е хомозиготно за гена ALX1. Ако алелите се различават е z. B. майчиният алел B и бащиният алел P, потомството е хетерозиготно за гена ALX1.
Почти всички наземни чинки, изследвани в популациите с тъп клюн (Great Ground Finch и Opuntia Ground Finch на остров Española), са хомозиготни за алел B. Почти всички наземни чинки, изследвани в популациите със заострен клюн (Opuntia Ground Finch на остров Геновеза и заострена земна чинка на остров Вълк) са хомозиготни за алела P. Алелите B и P са фиксирани алели в тези основни популации на чинки. Фиксираният алел е алел, който е единственият вариант, който съществува за този ген в цялата популация. Всички животни в популацията са хомозиготни по фиксирания алел.
Особено интересно е, че генът ALX1 в средната земна чинка (Geospiza fortis) е полиморфен. Генетиците наричат ген като полиморфен, когато в популацията има множество алели за гена. Полевите наблюдения показват, че този вид има и разнообразни клюновидни форми. PP хомозиготни средноземни чинки обикновено имат относително дълги, заострени човки, BB хомозиготи имат относително дълбоки, тъпи клюнове, докато BP хетерозиготи имат средни форми на клюн.
„Най-вълнуващият и значим резултат беше, че генетичната вариация в гена ALX1 е свързана с вариацията във формата на клюн не само между видовете Дарвинов чинка, но също така и между индивидите от даден вид, средния чинец“, обяснява Лейф Андерсон, който ръководи проучването.
Екологичното изместване на характеристиките
Екологичното изместване на характеристиките е около това колко големи са разликите в характеристиките, като напр Б. разликата в размера на клюна между два подобни вида в различни местообитания. В местообитание, където един вид се среща сам, той външно е доста сходен с други видове, тъй като разликите в характеристиките са доста малки. Видовете могат дори да бъдат много трудни за разграничаване един от друг. В местообитание, в което двата вида се срещат заедно, двата вида са доста различни, тъй като разликите в характеристиките са големи. Следователно двата типа са по-лесни за разграничаване един от друг в областта на припокриване.
За да обяснят този феномен, еволюционните биолози Уилям Луис Браун-младши и Едуард Озбърн Уилсън разработиха теорията за изместването на екологичните характеристики през 1956 г. [3]. Идеята зад тази теория е много проста: да предположим, че два много сходни вида влизат в контакт. Ако ресурсите са ограничени, видовете вероятно ще се конкурират силно и един възможен резултат е изключването: по-добре приспособеният състезател ще оцелее и по-малко приспособеният състезател ще умре. Но алтернативна възможност е, че естественият подбор във всеки вид благоприятства тези индивиди, чийто характерен вариант, напр. Б. размерът на клюна им позволява да използват ресурси, които не се използват от членовете на други видове. Резултатът може да бъде, че видовете започват да се различават по отношение на фенотип и използване на ресурси (оттук и терминът изместване), намалявайки конкуренцията на ресурсите и позволявайки съвместното съществуване.
Екипът от изследователи на Leif Andersson наблюдава екологично изместване на признаците в земните чинки на галапагоския остров Daphne Major и идентифицира свързания ген [4]. На Daphne Major средноземният чинка (Geospiza fortis) и големият земен чинка (Geospiza magnirostris) споделят местообитание и се хранят със семена. Между 2004 и 2005 г. имаше голяма суша и предлагането на големи семена стана оскъдно. Средните наземни чинки с големи човки сега бяха в неравностойно положение в сравнение с големите наземни чинки и изчезнаха. В резултат на това средният размер на клюна в популацията на средноземни чинки рязко намалява през поколенията.
Генетиците сравниха последователностите на ДНК на средноземни чинки, оцелели от сушата, с тези на средноземните чинки, умрели по време на сушата. Те откриха повечето разлики в гена HMGA2 (AT-кука с висока мобилност 2). Генът присъства в два алела, L и S. Средните наземни чинки с големи банкноти са хомозиготни за алела L (l = големи). Средните чинки с малък клюн са хомозиготни за алела S (s = малък).
Както се очакваше, пропорционално повече индивиди от SS (с малки клюнове) са оцелели от сушата, докато пропорционално повече индивиди от LL (с големи клюнове) са умрели. Хетерозиготните индивиди с LS показват пропорционално средна степен на преживяемост, което говори за адитивен генетичен ефект.
HMGA2 е свързан с хроматин протеин, който изглежда няма присъща транскрипционна активност, но засилва ефектите на други транскрипционни фактори. "Протеинът HMGA2 модифицира експресията на гени, но точният механизъм, чрез който контролира размера на клюна в чинките на Дарвин, е неизвестен", каза Лейф Андерсон.
бележка под линия
1. HMS означава „кораб на Негово величество“. Пътуването води над островите Кабо Верде, по източното и западното крайбрежие на Южна Америка, до островите Галапагос, до Таити, Нова Зеландия, Тасмания, Мавриций, Кейптаун, отново Южна Америка и през Азорските острови обратно до Англия.