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如何减少水中生命的基因

鲸鱼和海豚一生都在海洋中度过,而这些呼吸空气的哺乳动物实际上是从陆地物种进化而来的。大约5000万年前,现代鲸鱼和海豚的祖先从陆地过渡到水,伴随着深刻的解剖,生理和行为适应,促进了水中的生活。

然而,DNA的变化是这些适应的基础,目前尚不完全清楚。为了揭示它们,马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所以及复杂系统物理学以及德累斯顿系统生物学中心的研究人员系统地搜索了在当今鲸鱼和海豚祖先中丢失的基因。研究小组发现了85个基因损失,其中一些可能帮助鲸鱼在新的栖息地繁衍生息。

考虑到鲸鱼或海豚的出现,很容易将它们误认为大鱼。但是,就像它们最亲近的近亲(如河马或牛)一样,鲸鱼是呼吸呼吸的哺乳动物,其进化祖先适应了将其全部生命度过于水中。在从陆地到水的过渡过程中,发生了解剖学和生理学的显着变化。例如,鲸鱼和海豚简化了身体,失去了体毛,成为了更快的游泳者。他们产生了一层厚厚的绝缘脂。他们的后肢丢失了,而巨大的尾则被推进了。增加的氧气存储量有助于长时间潜水,而灵活的胸腔则使他们的肺部塌陷,而潜水深度可达100米以上。

迄今为止,人们对使这些适应成为可能的基因组变化知之甚少。这就是为什么围绕迈克尔·希尔勒的德累斯顿研究人员团队与来自加利福尼亚大学和纽约美国自然历史博物馆的同事们进行了系统性搜索的过程,以寻找在这种进化过渡中丢失的基因。为此,研究人员检查了当今鲸鱼,海豚和其他哺乳动物的基因组是否存在使基因失活的突变。该研究的主要作者马蒂亚斯·休斯曼(Matthias Huelsmann)解释说:“我们搜索了在所有鲸鱼和海豚中发生的突变,但未发现在河马或其他陆地哺乳动物中发生的突变。这种共有的突变告诉我们,相应的基因在鲸鱼祖先中已经丢失。 “。

唾液在水下多余

这项系统的搜索揭示了85个基因缺失。这些基因中的许多可能由于其功能不再有用而丢失了。例如,唾液在水生环境中不再可用于润滑食品,这可能解释了为什么唾液分泌相关基因丢失的原因。值得注意的是,其他基因的丧失甚至可能为祖先鲸提供了优势。“我们发现的一种基因丢失可能会改善鲸鱼修复特定类型的DNA损伤的方式。这种类型的DNA损伤是由鲸鱼在潜水时经常面临的严重缺氧引起的。如果DNA修复不正确,则可能导致肿瘤或有其他负面后果。” Matthias Huelsmann报告。同样,其他基因的损失也可能保护鲸鱼免受血凝块和肺损伤的影响。

但是,不仅在水生环境中解剖学和生理发生了变化,鲸鱼和海豚的行为特征也发生了变化。特别是,不断浮出水面进行呼吸的必要性导致了特殊的睡眠。类似于迁徙的鸟类,一次只有一半的鲸鱼的大脑睡眠,而另一半则协调运动和呼吸。有趣的是,研究人员发现,产生褪黑激素(调节睡眠的激素)所需的所有基因均已在鲸鱼和海豚体内丢失。这些基因损失可能是采用这种特殊类型睡眠的前提。

负责这项研究的迈克尔·希勒(Michael Hiller)总结说:“我们发现新证据表明进化过程中基因的缺失有时可能是有益的,这支持了我们实验室先前的结果,表明基因缺失是重要的进化机制。”

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