In seinem Buch von 1989 Wundervolles Lebenargumentierte der Evolutionsbiologe Stephen Jay Gould bekanntermaßen, dass sich das Leben auf der Erde jedes Mal grundlegend anders entwickeln würde, wenn wir das Band „wiederholen“ könnten.
Hatte er recht? Konvergente Evolution, bei der sich ähnliche Merkmale entwickeln, um ähnliche Funktionen in entfernt verwandten Organismen auszuführen, bietet ein hervorragendes Modell, um Goulds Gedankenexperiment durchzuführen.
Ein klassisches Beispiel für konvergente Evolution ist die unabhängige Entwicklung von Flügeln und Flug bei Insekten, Vögeln, Flugsauriern und Fledermäusen. Eine andere ist die Lebendgeburt (oder „Voviparität“), die sich unabhängig von der Eiablage entwickelt hat mehr als 150 mal bei Wirbeltieren (Tiere mit Rückgrat).
Um zu verstehen, wie dies geschah, untersuchten wir die Gene, die an Schwangerschaft und Lebendgeburt in sechs verschiedenen lebendgebärenden Arten beteiligt sind. Wir entdeckt dass trotz großer Ähnlichkeiten in der Anatomie und Physiologie jede Art einen völlig anderen Satz genetischer Werkzeuge verwendete, um lebende Junge zur Welt zu bringen.
Wird die Lebendgeburt von einem universellen Satz von Genen gesteuert?
Bei fast allen bisher untersuchten lebendgebärenden Wirbeltieren scheinen Veränderungen des Trächtigkeitsgewebes und biophysikalische Prozesse während der Trächtigkeit bemerkenswert ähnlich zu sein.
Einige gemeinsame Elemente des Prozesses sind:
Die Veränderungen, die während der Trächtigkeit und Geburt auftreten, müssen hauptsächlich genetisch kontrolliert werden, und wir wissen, dass sich die Expression von Genen während der Trächtigkeit bei verschiedenen lebendgebärenden Tieren verändert.
Die Allgemeingültigkeit dieser Änderungen ist jedoch weniger klar. Werden zum Beispiel bei Säugetieren und Fischen während der Schwangerschaft die gleichen Gene verwendet? Oder werden ähnliche Ergebnisse von völlig unterschiedlichen Genen angetrieben?
Das wollten wir in unserer Studie herausfinden, neu erschienen in Molekularbiologie und Evolutionin Zusammenarbeit mit Forschern der University of Queensland und der James Cook University.
Messung der Genaktivität während der Schwangerschaft
Die Entwicklung eines Tieres wird durch seine Gene, seine Umwelt und eine Interaktion zwischen beiden gesteuert.
Nicht jedes Gen in einem Tier ist immer aktiv. Gene werden bei Bedarf eingeschaltet (oder „exprimiert“) und dann wieder ausgeschaltet, wenn sie nicht mehr benötigt werden.
Die Genexpressionsniveaus variieren natürlich im Laufe der Zeit, wenn ein Tier mit der Umwelt interagiert und physiologischen Veränderungen wie diesen unterliegt Schwangerschaft verbunden. Mit einer Technik namens „Transkriptomik“ können wir Momentaufnahmen dieser Veränderungen in der Genexpression machen, während sie auftreten.
Um die genetischen Veränderungen zu untersuchen, die in der Gebärmutter während der Schwangerschaft bei verschiedenen Arten auftreten, haben wir Proben gesammelt oder vorhandene Daten von sechs lebendgebärenden Tieren verwendet: dem australischen Spitznasenhai, drei Arten australischer Eidechsen, dem grauen Kurzschwanzopossum und dem braunen Laborratte.
Durch die Probenentnahme aus dieser großen Bandbreite von Tieren konnten wir feststellen, ob die gleichen Veränderungen der Genexpression während der Trächtigkeit bei allen Arten auftreten, bei denen sich die Lebendgeburten unabhängig entwickelt haben.
Unsere Arbeit ist die erste quantitative Studie über die genetischen Grundlagen der Lebendgeburt auf einer so breiten evolutionären Skala.
Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, ein Baby wachsen zu lassen
Wir erwarteten, viele der gleichen Gene zu finden, die während der Schwangerschaft verwendet werden, um das Wachstum und Überleben von Embryonen in jeder der von uns untersuchten lebendgebärenden Arten zu unterstützen.
Diese Hypothese schien logisch, angesichts der viele Ähnlichkeiten in anatomischen Veränderungen während der Schwangerschaft bei lebend gebärenden Wirbeltieren, zusammen mit qualitativen Befunden aus bisherige Forschung.
Stattdessen stellten wir fest, dass bei unseren untersuchten Tieren kein einziger Satz von „lebendgebärenden Genen“ während der Trächtigkeit verwendet wurde. Mit anderen Worten, die Evolution hat sich auf ähnliche Funktionen für eine erfolgreiche Schwangerschaft konvergiert, aber diese Funktionen wurden durch die Rekrutierung verschiedener Gruppen von Genen erreicht.
Obwohl es nicht das ist, was wir erwartet haben, macht dieser Befund auch Sinn. Verschiedene Tierlinien können haben verschiedene „Werkzeugkästen“ von Genen aufgrund ihrer einzigartigen Evolutionsgeschichte zu schöpfen.
Eine genetische „Werkzeugkiste“ kann man sich als eine breite Klasse von Genen vorstellen, die ähnliche Grundfunktionen erfüllen. Über die langen Zeitskalen der Evolution können verschiedene Gene aus diesem Werkzeugkasten der Vorfahren rekrutiert werden, um dieselben physiologischen Funktionen in verschiedenen Tieren auszuführen.
Zum Beispiel benötigen sich entwickelnde Babys Zugang zu einer Versorgung mit Aminosäuren für eine erfolgreiche Entwicklung. Bei vielen Arten werden diese Aminosäuren von der Mutter zum Fötus über die Plazenta über „Solute Carrier“-Gene transportiert.
Wir haben mehr als 75 verschiedene Trägergene für gelöste Stoffe in der kombinierten genetischen Toolbox unserer Studienspezies identifiziert. Jede Spezies rekrutierte jedoch unterschiedliche Gene aus dem Werkzeugkasten, um Aminosäuren während der Schwangerschaft zu transportieren.
Lebendgeburt neu denken
Unsere Ergebnisse zwingen uns, die Vorstellung zu überdenken, dass die Ähnlichkeiten zwischen den Arten bei Lebendgeburten durch dieselben genetischen Veränderungen gesteuert werden.
Wir können unsere Ergebnisse auch im Zusammenhang mit Goulds Gedankenexperiment über die „Wiedergabe des Lebensbandes“ betrachten.
War die Entwicklung der Lebendgeburt vorhersehbar? Es kommt darauf an, wie man es betrachtet.
Weitreichende Ähnlichkeiten wie Anatomie und Funktionen der Gebärmutter scheinen vorhersehbar. Sie scheinen sich wiederholt entwickelt zu haben, um die biophysikalischen Herausforderungen einer erfolgreichen Schwangerschaft zu lösen.
Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass sich diese Vorhersagbarkeit nicht auf die zugrunde liegenden Gene erstreckt.
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