由斯坦福医学院的研究人员领导的一系列实验，包括鱼类勾搭，CRISPR和湖泊跳跃，已经证实了一个长期存在但未经证实的自然进化假设。它还揭穿了智能设计支持者所青睐的一个话题，他们认为自然发生的突变只会损害或摧毁动物，而不能导致有用的新特征和身体结构。
研究人员发现了一个关键发育基因的调节的反复变化，这种变化增加了称为棘背的鱼的主要防御棘的数量并控制了其长度。面对不同的捕食者，新的脊柱特征提高了鱼类的生存能力——面对反进化论者的一个关键断言，即重大变化总是会让动物不适合在野外生存。
“科学家们已经知道，这种称为HOX的基因的调节变化控制着发育过程中主要身体结构的发展，”发育生物学教授David Kingsley博士说。“新的情况是，我们最终表明，这种基因的突变会导致野生动物发生重大变化-这些新特征有助于鱼类在自然环境中茁壮成长。我们的发现驳斥了一个普遍的论点，即这些类型的基因如此重要，如此基本，以至于在这些区域具有突变的动物无法在自然界中生存 - 如果你与主要调节器一起玩，你只会制造出一个无望的怪物。
金斯利是HHMI的一名研究员，鲁迪J.和达芙妮·多诺霍·蒙泽尔教授是该研究的资深作者，该研究于9月1日在线发表在《自然生态学与进化》上。研究生朱莉娅·武切尔普芬尼格是该研究的主要作者。
虽然进化的概念被广泛接受，但它可以以不同的方式发生。回归进化是失去现有的，以前有用但现在不利或无用的特征，导致动物更适合其自然环境。这些变化几乎总是中性的——想想在黑暗中几代人后失去眼睛的洞穴鱼——或者是有帮助的，比如早期人类脱掉猿类亲戚的毛茸茸的西装，使我们能够长距离追逐猎物而不会变得过热。
机会游戏
相比之下，当生物体获得新的特征，使它们能够超越同行时，就会发生渐进的进化。但这种变化本质上是一种信念的飞跃，相当于掷出基因骰子，希望它们都达到六分之一。更小、更渐进的变化风险更小。大的结构变化，有时被称为大效应突变，可能特别可怕：想象一下，有一天你走出公寓，运动第三条腿，或两个头。当你跑公共汽车时，你会比你的邻居更有优势，还是更有可能绊倒并首先陷入交通中?
虽然有一些例子表明，动物从HOX基因的变化中获得自然界的有益性状 - 果蝇进化出腿上感觉刚毛的特定模式，一些蜜蜂在腹部获得了独特的颜色 - 由这些区域的突变引起的大多数主要结构增益都是有害的。
“实验室培育的四翅果蝇是一个着名的例子，说明HOX基因调节区域中相对简单的遗传改变如何显着改变动物的体形，”金斯利说。“但由于这些苍蝇无法在野外生存，反进化的支持者抓住了它们 - 不是基因如何驱动进化的好例子，而是基因变化只会使动物的功能降低的证据。
两到四英寸长的棘背鱼，沿着它们的背部运动着不同数量的尖刺，是很好的研究课题，因为它们在响应不断变化的环境条件时迅速而戏剧性地进化。一个充满食鱼昆虫的湖泊通常有刺背，刺更少，更短。但是，一个池塘里有更大的鱼或鸟，它们会把鱼棒整个吞下，可能会拥有一群长、更多、挠喉咙的刺的刺。水草森林非常适合灵活，滑溜的鱼，它们可以隐藏在植被中，而在开阔的海洋中，装甲板和强大的刺是要走的路。
金斯利实验室以水样匹配开始研究。以前的研究生从不列颠哥伦比亚省的淡水湖中穿过一只双棘雌性棘背，从加利福尼亚州博德加湾的咸水中穿过一只三棘雄性棘背。然后，他们从那场比赛中穿过后代，并分析了他们脊柱的数量和形状。590条大鱼中的大多数有三根刺，但六条有两根刺，21条有四根刺 - 比他们的祖先都多。对可变棘鱼的广泛遗传研究确定了一个名为HOXDB的基因周围的区域差异，该基因是HOX基因家族的成员。
基因与解剖学之间的联系
Wucherpfennig继续收集和杂交来自无数北美湖泊和溪流的棘背，研究它们的基因组成并使用CRISPR方法来确认HOXDB基因对背刺的影响。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演变的主要解剖学变化有关。
“在新斯科舍省，一些棘背种群已经进化到有五根甚至六根刺，”金斯利说。“大自然使该基因的编码区域保持完整，但在正常发育过程中改变了其表达方式和时间，以添加结构而不是剥离它们。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和她的同事们表明，HOXDB基因调节区域的反复变化是她从北美各地研究的两种不同棘背物种中新脊柱模式的最新进化的原因。他们现在有兴趣了解类似的变化是否是导致鱼类差异的原因，而这些差异甚至更遥远。
“是否有可预测的规则来管理进化变化?”金斯利说。“自然物种是一遍又一遍地使用相同的技巧，还是每次都必须发明一个新的技巧?到目前为止，即使在这些来自不同环境的非常不同的棘轮中，它也是相同的基因。在这里，我们表明，大自然经常添加主要结构来产生更适合环境的动物，并且它使用相同的主调控基因反复这样做。这是渐进进化论的决定性论据，几十年来，学术界和非学术界一直在争论这个问题。
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