ביולוגים חושפים מורשת גנומית נסתרת של הכחדת הדינוזאורים

מחקר מגלה שהסוף-קרטיקון הכחדה המונית שינתה באופן משמעותי את הגנום של הציפורים, ותרמה לאבולוציה ולמגוון של הציפורים של ימינו. על ידי ניתוח מאובנים גנומיים ושינויים אבולוציוניים, המחקר מספק הבנה מעמיקה יותר של האופן שבו הכחדות המוניות מעצבות את החיים על פני כדור הארץ.

זמן קצר לאחר שאסטרואיד פגע בכדור הארץ לפני 66 מיליון שנים, החיים של דינוזאורים שאינם עופות הגיעו לקיצם, אך הסיפור האבולוציוני של אבותיהם המוקדמים של הציפורים החל.

תיעוד המאובנים מספר לנו שאבותיהם הקדומים של ציפורים חיות החלו את המסע האבולוציוני שלהם מיד לאחר אירוע ההכחדה ההמונית שנגרם על ידי האסטרואיד, אך החוקרים לא היו בטוחים כיצד הם יראו את הסיפור הזה משתקף בגנום של ציפורים. כעת, מחקר של אוניברסיטת מישיגן זיהה שינויים חשובים בגנום של ציפורים שנוצרו בעקבות ההכחדה ההמונית, הנקראת אירוע ההכחדה ההמונית של סוף הקרטיקון, שבסופו של דבר תורם למגוון המדהים של ציפורים חיות.

המחקר בחן את המסלול האבולוציוני של כל קבוצות הציפורים העיקריות ומצא עדויות ל"מאובנים גנומיים" בציפורים DNA שמציינים צעדים אבולוציוניים קריטיים כאשר ציפורים התפתחו ליותר מ-10,000 חיים מִין. המחקר מתפרסם כמאמר בגישה פתוחה בכתב העת התקדמות המדע.

"על ידי חקר ה-DNA של ציפורים חיות, נוכל לנסות לזהות דפוסים של רצפים גנטיים שהשתנו מיד לאחר אחד האירועים החשובים ביותר בתולדות כדור הארץ", אמר המחבר הראשי ג'ייק ברב, שסיים את המחקר כעמית מדעי החיים במישיגן ב- המחלקה לאקולוגיה וביולוגיה אבולוציונית של UM. "נראה שהחתימה של האירועים הללו הוטבעה בגנום של השורדים באופן שנוכל לזהות עשרות מיליוני שנים מאוחר יותר."

הרכב הגנום ופוטנציאל אבולוציוני

הגנום של אורגניזם חי כולל ארבע מולקולות נוקלאוטידים, הנקראות באותיות A, T, G ו-C. הסדר של נוקלאוטידים אלה בגנום מגדיר את "השרטוט" של החיים. קוד ה-DNA יכול לפעמים להתפתח באופן שמשנה את ההרכב הכולל של נוקלאוטידים של DNA על פני הגנום כולו. השינויים ההרכביים הללו חיוניים בקביעה איזה סוג של וריאציה גנטית אפשרית, התורמים לפוטנציאל האבולוציוני של האורגניזם, או ליכולתו להתפתח.

החוקרים גילו שאירוע ההכחדה ההמונית עורר שינויים בהרכב הנוקלאוטידים. הם גם גילו שנראה כי שינויים אלה קשורים לאופן שבו ציפורים מתפתחות כתינוקות, לגודל הבוגר שלהן ולחילוף החומרים שלהן.

לדוגמה, בתוך כ-3 מיליון עד 5 מיליון שנים מההכחדה ההמונית, שושלת ציפורים ששרדו נטו לפתח גדלי גוף קטנים יותר. הם גם שינו את האופן שבו הם התפתחו כצאצאים, כאשר מינים נוספים הפכו ל"מזנים". זה אומר שהם עדיין עוברים מאוד כשהם בוקעים, צריכים שהוריהם יאכילו אותם, ויכולים לקחת שבועות עד שהם בוקעים, אומר ברב. ציפורים שבוקעות מוכנות להסתדר בעצמן, כמו תרנגולות ותרנגולי הודו, נקראות "קדומות".

"מצאנו שגודל גוף מבוגר ודפוסי התפתחות טרום הבקיעה הם שני מאפיינים חשובים של ביולוגיה של ציפורים שאנו יכולים לקשר לשינויים הגנטיים שאנו מזהים", אמר Berv, כיום פוסט-דוקטורנט של שמידט AI במדע במישיגן של UM. המכון לנתונים ובינה מלאכותית בחברה.

מידול גנומי מתקדם

Berv אומר שאחד האתגרים המשמעותיים ביותר בביולוגיה אבולוציונית ובצפרות הוא התגרות ביחסים בין קבוצות ציפורים מרכזיות – קשה לקבוע את מבנה עץ החיים עבור ציפורים חיות. במהלך 15 השנים האחרונות, חוקרים יישמו מערכי נתונים גנומיים גדולים יותר ויותר כדי לנסות לפתור את הבעיה.

בעבר, חוקרים השתמשו בנתונים גנומיים כדי לחקור את התפתחות הגנום של ציפורים באמצעות מודלים סטטיסטיים שמניחים הנחות חזקות. המודלים ה"מסורתיים" הללו מאפשרים לחוקרים לשחזר את ההיסטוריה של השינויים הגנטיים, אך הם בדרך כלל מניחים שהרכב ה-DNA, חלקו של נוקלאוטידים A, T, G ו-C, אינו משתנה לאורך ההיסטוריה האבולוציונית.

בסוף 2019, ברב החל לעבוד עם סטיבן סמית', פרופסור ב-UM לאקולוגיה וביולוגיה אבולוציונית, שפיתח כלי תוכנה למעקב הדוק יותר אחר הרכב ה-DNA לאורך זמן ולרוחב ענפים שונים של עץ החיים. בעזרת הכלי הזה הצליחו החוקרים להרגיע את ההנחה שהרכב ה-DNA נשאר קבוע. סמית אמר שזה איפשר ל"מודל" של התפתחות ה-DNA להשתנות על פני העץ האבולוציוני ולזהות מקומות שבהם יש כנראה שינוי בהרכב ה-DNA.

עבור המחקר החדש הזה, התמורות הללו התרכזו בזמן, בתוך כ-5 מיליון שנים מההכחדה ההמונית של סוף הקרטיקון, אומר ברב. הגישה שלהם גם אפשרה להם להעריך אילו תכונות של ציפורים היו קשורות ביותר לשינויים אלה בהרכב ה-DNA.

"זהו סוג חשוב של שינוי גנטי שאנו חושבים שאנו יכולים לקשר לאירוע ההכחדה ההמונית", אמר. "ככל שאנו יודעים, שינויים בהרכב ה-DNA לא היו קשורים בעבר להכחדה המונית של סוף הקרטיקון בצורה כה ברורה."

דניאל פילד, פרופסור לפליאונטולוגיה של בעלי חוליות ב

אוניברסיטת קיימברידג' ומחבר שותף של המחקר, התעניינו בהבנת האופן שבו ההכחדה ההמונית של סוף הקרטיקון השפיעה על התפתחות הציפורים. הוא סיפק הדרכה הקשורה לאבולוציה מוקדמת של ציפורים בעקבות ההכחדה ההמונית.

"אנו יודעים שאירועי הכחדה המונית יכולים להשפיע באופן דרמטי על המגוון הביולוגי, האקולוגיה והצורה האורגניזמית. המחקר שלנו מדגיש שאירועי הכחדה אלה יכולים למעשה להשפיע בצורה עמוקה יותר על הביולוגיה האורגניזמית – על ידי שינוי היבטים חשובים של אופן התפתחות הגנום", אמר פילד. "עבודה זו מעודדת את הבנתנו את ההשפעות הביולוגיות הדרמטיות של אירועי הכחדה המונית ומדגישה שההכחדה ההמונית שחיסלה את הדינוזאורים הענקיים הייתה אחד האירועים המשפיעים ביותר מבחינה ביולוגית בכל ההיסטוריה של הפלנטה שלנו."

החוקרים אומרים שבאמצעות הרפיית ההנחות האופייניות המשמשות בביולוגיה אבולוציונית, הם בונים תובנה מגוונת יותר לגבי רצף האירועים שהתרחשו בהיסטוריה המוקדמת של הציפורים.

"בדרך כלל לא הסתכלנו על השינוי בהרכב ה-DNA ובמודל על פני עץ החיים כשינוי שמשהו מעניין קרה בנקודת זמן ומקום מסוימים", אמר סמית'. "המחקר הזה ממחיש שכנראה היה חסר לנו משהו."