Die Untersuchung langsam sich entwickelnder „lebender Fossilien“ enthüllt wichtige genetische Erkenntnisse

Im Jahr 1859 prägte Charles Darwin den Begriff „lebende Fossilien“, um Organismen zu beschreiben, die im Fossilienbestand nur geringe Artenvielfalt oder physikalische Unterschiede zu ihren Vorfahren aufweisen. In einer neuen Studie liefern Yale-Forscher den ersten Beweis für einen biologischen Mechanismus, der erklärt, wie lebende Fossilien in der Natur vorkommen.

Die Studie, veröffentlicht im Tagebuch Evolutionzeigt, dass Gars – eine alte Gruppe von Rochenfischen, die der Definition eines lebenden Fossils entsprechen – unter allen Kieferwirbeltieren die langsamste molekulare Evolutionsrate aufweisen, was bedeutet, dass sich ihr Genom langsamer verändert als das anderer Tiere.

Indem sie diesen Befund mit dem Prozess der Hybridisierung – wenn zwei verschiedene Arten lebensfähige Nachkommen hervorbringen – von Gar-Arten in freier Wildbahn in Verbindung bringen, die zuletzt im Zeitalter der Dinosaurier gemeinsame Vorfahren hatten, zeigen die Forscher, dass eine langsame Evolutionsrate ihres Genoms ihre niederen Arten antreibt Diversität.

„Wir zeigen, dass die langsame Geschwindigkeit der molekularen Evolution der Gars ihre Artbildungsrate behindert hat“, sagte Thomas J. Near, Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie an der Yale-Fakultät für Künste und Wissenschaften und leitender Autor der Studie. „Grundsätzlich ist dies das erste Mal, dass die Wissenschaft zeigt, dass eine Abstammungslinie aufgrund eines intrinsischen Aspekts ihrer Biologie den Kriterien lebender Fossilien entspricht.“

Die Forscher spekulieren, dass Gars über einen ungewöhnlich starken DNA-Reparaturapparat verfügen, der es ihnen ermöglicht, somatische und Keimbahnmutationen – Veränderungen der DNA, die vor und nach der Empfängnis auftreten – effizienter zu korrigieren als die meisten anderen Wirbeltiere.

Sollten sich diese Ergebnisse bestätigen, könnten sie tiefgreifende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben, sagte Near, Bingham Oceanographic Curator of Ichthyology am Yale Peabody Museum.

„Bei den meisten Krebsarten handelt es sich um somatische Mutationen, die ein Versagen der DNA-Reparaturmechanismen eines Individuums darstellen“, sagte er. „Wenn weitere Studien beweisen, dass Gar-DNA-Reparaturmechanismen äußerst effizient sind, und herausfinden, was sie so macht, könnten wir anfangen, über mögliche Anwendungen für die menschliche Gesundheit nachzudenken.“

Die sieben lebenden Gar-Arten sind strukturell nahezu identisch mit den frühesten fossilen Gar-Arten aus der Jurazeit vor etwa 150 Millionen Jahren. Eine der beiden lebenden großen Abstammungslinien der Riesenschwärme taucht bereits vor 100 Millionen Jahren, in der mittleren Kreidezeit, im Fossilienbestand auf.

Bei der Analyse eines Datensatzes von 1.105 Exons – der kodierenden Region der DNA – aus einer Stichprobe von 471 Kieferwirbeltierarten stellten die Forscher fest, dass sich die DNA von Gars durchweg bis zu drei Größenordnungen langsamer entwickelt als bei jeder anderen großen Gruppe von Wirbeltieren. (Sie entdeckten auch ähnlich langsame Raten bei Stören und Paddelfischen, zwei weiteren Beispielen für lebende Fossilien, aber es liegen bessere Daten über Gars vor.)

Anschließend zeigten die Forscher, dass die langsame Geschwindigkeit der molekularen Evolution mit der langsamen Artbildungsrate in Gars zusammenhängt, indem sie Beispiele der Hybridisierung zwischen zwei unterschiedlichen Gar-Arten in den Systemen Brazos und Trinity River in Texas analysierten.

Da die Rate genetischer Mutationen zunimmt, müssen verschiedene Arten eine jüngere gemeinsame Abstammung haben, um sich fortpflanzen zu können, erklärte Chase D. Brownstein, ein Doktorand an der Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie der Yale University und Hauptautor der Studie.

„Je langsamer das Genom einer Art mutiert, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie sich mit einer anderen Art kreuzen kann, von der sie über einen langen Zeitraum genetisch isoliert wurde“, sagte Brownstein, der begann, mit Near an dieser Forschung zu arbeiten Projekt als Yale-Student.

Die Forscher fanden heraus, dass die beiden Arten, Alligator-Gar und Langnasen-Gar, die einen gemeinsamen Vorfahren von vor mindestens 100 Millionen Jahren haben, immer noch lebensfähige und fruchtbare Hybriden bilden. Laut der Studie handelt es sich um die älteste identifizierte Elternspaltung aller Tiere, Pflanzen und Pilze, die lebensfähige, fruchtbare Hybriden hervorbringen, und übertrifft den bisherigen Rekordhalter – zwei Farnarten – um etwa 60 Millionen Jahre.

Der Befund, kombiniert mit der überlappenden Morphologie oder den physikalischen Strukturen der Hybriden und anderer Gar-Arten, deutet darauf hin, dass die langsame genetische Mutationsrate der Gar-Arten ein Hindernis sowohl für die Artbildung als auch für die Entwicklung neuer beobachtbarer Merkmale darstellt, sagten die Forscher.

„Unsere Arbeit zeigt, dass lebende Fossilien nicht einfach nur seltsame Zufälle der Geschichte sind, sondern eine grundlegende Demonstration des Evolutionsprozesses in der Natur darstellen“, sagte Brownstein. „Es zeigt, dass die Analyse von Mustern in der Evolutionsgeschichte lebender Fossilien Auswirkungen auf unsere eigene Geschichte haben könnte. Sie hilft uns nicht nur, die Artenvielfalt des Planeten besser zu verstehen, sondern könnte möglicherweise eines Tages auch auf die medizinische Forschung angewendet werden und die menschliche Gesundheit verbessern.“

Near und Brownstein haben die Studie gemeinsam mit Daemin Kim und Oliver Orr, beide vom Department of Ecology and Evolutionary Biology der Yale University, verfasst. Daniel J. MacGuigan von der University of Buffalo; Liandong Yang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking; Solomon R. David von der University of Minnesota; und Brian Kreiser von der University of Southern Mississippi.