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有翅膀卻不會飛,這種鴨子太難了

http://finance.sina.com   2019年09月11日 17:41   

  來源:Nature自然科研

  飛行能力在許多鳥類中已經難覓蹤影。研究人員通過對比會飛和不會飛的船鴨的翅膀結構和基因組,提出了飛行能力喪失的一種可能機制。

  研究新出現特徵的基因序列可以瞭解演化過程;然而,研究喪失的特徵也能帶來獨特見解。如果某一特徵在不同的生物羣體中多次消失,我們就能利用強大的統計方法,識別出基因層面的原因。Campagna等人[1]發表在《演化》(Evolution)上的最新研究揭示了與鳥類飛行能力喪失相關的遺傳變化。他們比較了59只船鴨(全部來自Tachyeres屬)的全基因組,研究飛行能力是如何隨演化而逐漸消失的。

圖1|船鴨特有的逃跑方式。圖1|船鴨特有的逃跑方式。

  能飛和不能飛的船鴨都有一種獨特的逃跑方式,它們會在水面快速拍打雙腳和短翅膀。Campagna等人[1]對船鴨屬所有種的個體進行了基因組測序(包括圖中無法飛行的短翅船鴨),並結合它們翅膀的測量數據進行分析,以此尋找哪些基因表達的變化可能導致了船鴨飛行能力的喪失。來源:Bill Coster/FLPA

  船鴨一般生活在智利南部、阿根廷南部和福克蘭羣島的海岸生境和湖泊中[2]。它們有着一種獨特的逃跑方式——以很快的速度在水中同步划動翅膀和腳,因爲神似槳輪船,由此得名“船鴨”(圖1)。在船鴨屬已經發現的四個種中,短翅船鴨、灰船鴨和白頭船鴨都不會飛[2];在具備飛行能力的花斑船鴨中,一些較重的公鴨也飛不起來,主要是因爲它們的翅膀負荷(體重與翅膀表面積之比)大於較輕的同類。

  所有船鴨都能熟練地在陸地上行走、潛水覓食、躲避捕食者。與在覓食和進食時藉助翅膀力量的海鸚和企鵝不同,船鴨在獲取食物時並不使用翅膀。不過,船鴨在潛水時會用到翅膀,而不能飛的船鴨的飛行肌與體重比只比會飛船鴨的略小一點[2]。

  研究人員一直無法確定這幾種不能飛的船鴨究竟是在各自演化過程中失去了飛行能力,還是全部從一個不能飛的鴨子分支演化而來的[2]。解決這一爭論,將有助於深入瞭解可能導致飛行能力喪失的環境或生態因素。

  船鴨是一個演化歷史較短的類羣,估計只有200萬年左右。通過基因組對比,Campagna等人指出,灰船鴨和白頭船鴨這兩個陸生物種的飛行能力喪失出現在進化支的早期,且發生在相對較短的時間內。相比之下,花斑船鴨和生活在海岸的短翅船鴨的親緣關係更近,在近期才分化成兩支,而且可能仍然在雜交。整體來看,作者的基因組對比結果顯示,飛行能力的喪失可能是三種情況下獨立演化的結果,不過對此也有不同的解釋。

  Campagna等人還在基因組中篩查了單核苷酸多態性(SNP,即DNA序列特定位點上的單核苷酸被替代),由此確定了飛行個體和不飛行個體的基因組中DNA序列差異最大的部分。研究人員還將測序船鴨的翅骨和骨骼比例的測量結果與基因組數據聯繫起來,進而區分出不同個體間哪些是與翅形相關的遺傳差異,哪些是與翅膀形狀無關或偶然發生的遺傳差異。值得注意的是,一些花斑船鴨和短翅船鴨同時存在與飛行和不飛行相關的基因序列,這些序列都與翅膀長度相關。因此,飛行能力的喪失可能出現在船鴨的演化過程中。

  Campagna等人鑑定出的與肢體測量差異相關的大部分SNP都出現在DYRK1A基因的內部或周圍。作者因此認爲,DYRK1A表達和功能的變化可能導致了不會飛船鴨的肢體長度與體重比偏低。作者還指出,攜帶更多DYRK1A基因拷貝的小鼠也表現出更多的四肢-骨骼的差異[3]。此外,有研究發現,DYRK1A基因拷貝數的增加可能與人類唐氏綜合徵的某些症狀相關,包括身型體格與長骨長度的差異,尤其是前肢[4]。儘管Campagna等人未能確定船鴨中DYRK1A的拷貝數,但未來可以通過實驗確定觀察到的遺傳差異在鳥類發育過程中的影響。

  不會飛的物種有極高的多樣性,飛行能力的喪失也發生在各種不同的環境中。這種情況會發生在物種學會並掌握了一種水生運動模式之後,如潛水或划水,且多見於捕食者較少的陸地環境中。後者的一個例子爲秧雞,作爲鶴的近親,它們在降落到不同的海島之後,幾乎無一例外地喪失了飛行的能力(有時同一個島上會反覆出現這一現象[5])。

  如果不考慮可能導致飛行能力喪失的各種環境,這種能力的喪失往往伴隨着翅膀長度相對身體其他部位長度的減小,使得翅膀負荷過大而無法飛行。然而,翅膀肌肉組織、皮膚和羽毛,以及感覺系統和骨骼其他部位的變化,在不會飛的物種中都差異巨大;因此,很難確定這些變化是否與飛行能力的喪失或其他因素有關。值得注意的是,與船鴨飛行能力喪失相關的遺傳變化以及翅形變化被認爲是與它們習得划水能力同時發生的。靠揮動翅膀划水的鳥類通常翅膀較短。因此,很難判斷影響翅形的遺傳變化究竟與習得划水能力有關,還是與飛行能力喪失有關。

  過去幾年裏,在遺傳學層面對飛行能力喪失的研究取得了一些實質性進展[6,7]。一項研究[6]發現,三種會飛的鸕鶿與它們不能飛的近親弱翅鸕鶿存在基因組差異,主要分佈在與纖毛功能有關的基因內部或周圍——纖毛是一種細胞突起,可以介導骨骼發育需要的細胞信號。然而,弱翅鸕鶿的飛行肌和胸骨相關部分比它能飛的近親要小得多(而在會飛和不會飛的船鴨中並無發現這種差異[2])。

  另一項研究[7]考察了平胸鳥類喪失飛行能力的另一種機制。平胸鳥類包括鶴鴕、鴕鳥和幾維鳥,在很久以前曾經歷過多次飛行能力的退化。研究人員發現,一些基因的表達會改變平胸鳥類的前肢結構,而會飛和不會飛的種在調節這些基因表達的DNA區域中存在差異(與船鴨中發現的差異有所不同)。其中許多基因在發育過程中的表達變化都會導致前肢變短[7]。

  這些基因組研究發現了飛行能力喪失的各種機制,不過,這些機制不一定相互矛盾。事實上,一個新出現的觀點認爲,導致翅形和翅膀長度變化的遺傳機制可能與發生飛行能力喪失的各種生態環境一樣多樣。也許這不是什麼奇怪的事——對哺乳動物手指變短的研究同樣發現了各種不同的機制[8,9],而親緣關係相近的各種蜂鳥[10]對高海拔環境的適應也有着不同的遺傳機制。今後,我們需要對博物館的樣本展開進一步研究[11],推動發育生物學和解剖學的更多進步,以便深入理解不會飛等表型背後的遺傳變化。

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