生物学家构建了迄今为止最全面的鸟类族谱图 时间横跨9300万年

生物学家构建了迄今为止最全面的鸟类族谱图 时间横跨9300万年 这些技术使研究人员能够高精度、高速度地分析大量基因组数据，为构建有史以来最全面的鸟类家谱奠定了基础。4月1日发表在《自然》（Nature）和《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的两篇互补性论文详细介绍了这一进展。《自然》杂志报道的更新家系揭示了6600万年前恐龙灭绝后鸟类进化史的模式。发表在《自然》杂志上的最新鸟类家谱，勾勒出 363 种鸟类之间 9,300 万年的进化关系。图片来源：Jon Fjeldså（绘图）和 Josefin Stiller研究人员观察到，早期鸟类的有效种群数量、替代率和相对脑容量都急剧增加，这为我们揭示这一关键事件之后推动鸟类多样化的适应机制提供了新的线索。在发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的相关论文中，研究人员仔细研究了新家谱的一个分支，发现火烈鸟和鸽子的亲缘关系比之前的全基因组分析所显示的更远。这项工作是由哥本哈根大学、浙江大学和加州大学圣地亚哥分校牵头的多机构合作项目"鸟类万基因组（B10K）项目"的一部分，该项目旨在为约10500种现存鸟类生成基因组序列草案。"我们的目标是重建所有鸟类的整个进化史，"加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院电子与计算机工程教授西亚瓦什-米拉拉布说，他是《自然》论文的共同资深作者，也是《美国科学院院报》论文的第一作者和共同通讯作者。这些研究的核心是一套名为"ASTRAL"的算法，米拉拉布实验室开发了这套算法，以前所未有的可扩展性、准确性和速度推断进化关系。通过利用这些算法的强大功能，研究小组整合了来自 6 万多个基因组区域的基因组数据，为他们的分析提供了强大的统计基础。研究人员随后研究了整个基因组中各个片段的进化历史。在此基础上，他们拼凑出了一棵马赛克基因树，然后将其编入一棵综合物种树。这种细致入微的方法使研究人员能够构建一个新的、经过改进的鸟类家系，即使在历史不确定的情况下，也能非常精确和详细地描述复杂的分支事件。米拉拉布说："我们发现，我们在分析中加入数万个基因的方法实际上是解决鸟类物种之间进化关系的必要条件。需要所有这些基因组数据，才能以很高的置信度还原6500万-6700万年前的这段特定时期发生了什么"。在发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的这项研究中，研究人员仔细研究了更新的鸟类家谱中的一个分支，发现包括火烈鸟和鸽子在内的鸟类群体的亲缘关系比以前的全基因组分析所显示的要远，并将这一结果归因于第 4 号染色体上的一个不寻常区域。图片来源：Ed Braun（绘图）、Daniel J. Field（鸟类图片）和 Siavash Miarab该团队之所以能够在海量数据集上进行这些分析，是因为米拉拉布实验室设计的计算方法能够在功能强大的 GPU 机器上运行。他们在加州大学圣地亚哥分校圣地亚哥超级计算机的Expanse超级计算机上进行了计算。米拉拉布说："我们很幸运能够使用如此高端的超级计算机。如果没有Expanse，我们就无法在合理的时间内对如此庞大的数据集进行运行和重新运行分析。"研究人员还研究了不同基因组取样方法对树的准确性的影响。他们发现，两种策略对每个物种的许多基因进行测序，以及对许多物种进行测序结合在一起，对重建这一进化史非常重要。哥本哈根大学生物学教授、《自然》论文第一作者约瑟芬-斯蒂勒（Josefin Stiller）说："因为混合使用了这两种策略，所以我们可以测试哪种方法对系统发育重建的影响更大，从每种生物体中采样许多基因序列比从更广泛的物种中采样更重要，尽管后一种方法有助于我们确定不同群体进化的时间。"借助先进的计算方法，研究人员还揭示了他们在之前的一项研究中发现的不寻常之处：鸟类基因组中一条染色体的特定部分数百万年来一直保持不变，没有出现预期的基因重组模式。这一反常现象最初导致研究人员错误地把火烈鸟和鸽子归为进化上的表亲，因为根据这一段未变的DNA，它们似乎关系密切。这是因为他们之前的分析是基于48种鸟类的基因组。但通过使用363个物种的基因组重复分析，他们发现了一个更准确的家族树，它将鸽子与火烈鸟的关系进一步拉近。此外，通过使用由洛克菲勒大学神经生物学教授埃里希-贾维斯（Erich Jarvis）领导的脊椎动物基因组计划（Vertebrate Genome Project，VGP）提供的六个高质量基因组，米拉布及其同事能够发现并推测出这种令人惊讶的模式。佛罗里达大学生物学教授、《美国科学院院刊》（PNAS）论文共同通讯作者爱德华-布劳恩（Edward Braun）说："令人惊讶的是，这段被抑制的重组时期可能会误导分析。正因为它可能会误导分析，所以在未来的6000多万年后，它实际上是可以被检测到的。这才是最酷的部分。"这项工作的影响远远超出了对鸟类进化史的研究。米拉拉布实验室首创的计算方法已成为重建其他各种动物进化树的标准工具之一。下一步，研究小组将继续努力构建鸟类进化的完整图景。生物学家们正在对更多鸟类物种的基因组进行测序，希望能将家谱扩展到数千个鸟属。与此同时，米拉拉布领导的计算科学家们正在改进他们的算法，以适应更大的数据集，确保在未来的研究中能够高速、准确地进行分析。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

生物学家研制出光动力酵母菌 带来对进化、生物燃料和细胞衰老的新认识

生物学家研制出光动力酵母菌 带来对进化、生物燃料和细胞衰老的新认识 Anthony Burnett说:“坦率地说，我们对将酵母转化为光养生物(能够利用光能的生物)是多么简单感到震惊。我们所需要做的就是移动一个基因，它们在光照下的生长速度比在黑暗中快2%。没有任何微调或精心的哄骗，它就是有效的。”很容易地为酵母配备这样一个进化上重要的特征，可能对我们理解这种特征是如何起源的意义重大，以及如何将其用于研究生物燃料生产、进化和细胞老化等问题。寻找能量提升这项研究的灵感来自于该小组过去研究多细胞生命进化的工作。该小组去年在《自然》杂志上发表了他们的第一份关于多细胞长期进化实验(MuLTEE)的报告，揭示了他们的单细胞模式生物“雪花酵母”是如何在3000代的时间里进化出多细胞的。在这些进化实验中，出现了多细胞进化的一个主要限制:能量。“氧气很难扩散到组织深处，因此你得到的组织没有能力获得能量。”“我一直在寻找绕过这种基于氧的能量限制的方法。”在不使用氧气的情况下给生物体提供能量的一种方法是通过光。但是从进化的角度来看，将光转化为可用能量的能力是复杂的。例如，允许植物利用光作为能量的分子机制涉及许多基因和蛋白质，这些基因和蛋白质在实验室和自然进化中都很难合成和转移到其他生物体中。幸运的是，植物并不是唯一能将光转化为能量的生物。保持简单生物体利用光的一种更简单的方法是利用视紫红质:一种无需额外的细胞机制就能将光转化为能量的蛋白质。该研究的主要作者Autumn Peterson说:“视紫红质在生命之树上随处可见，显然是生物体在进化过程中相互获取基因而获得的。”这种类型的基因交换被称为水平基因转移，涉及在不密切相关的生物体之间共享遗传信息。水平基因转移可以在短时间内引起看似巨大的进化跳跃，比如细菌如何迅速对某些抗生素产生耐药性。这可能发生在所有的遗传信息中，特别是在视紫红质蛋白中。“在寻找将视紫红质转移到多细胞酵母中的方法的过程中，我们发现我们可以通过将其转移到常规的单细胞酵母中来了解过去在进化过程中发生的视紫红质水平转移。”为了观察他们是否能给单细胞生物配备太阳能视紫红质，研究人员将一种由寄生真菌合成的视紫红质基因添加到普通的面包酵母中。这种特殊的基因被编码为一种视紫红质，这种视紫红质会被插入细胞的液泡中，液泡是细胞的一部分，像线粒体一样，可以将视紫红质等蛋白质产生的化学梯度转化为能量。配备了空泡紫红质，酵母在光照下的生长速度大约快了2%这对进化来说是一个巨大的好处。“在这里，我们有一个单一的基因，我们只是把它跨环境拉到一个以前从未有过光养性的谱系中，它就这样工作了。”“这表明，这种系统真的很容易，至少有时，在一个新的有机体中发挥作用。”这种简单性提供了关键的进化见解，研究人员说明了“视紫红质能够轻易地在如此多的谱系中传播，以及为什么会这样”。由于空泡功能可能有助于细胞衰老，该小组也开始合作研究视紫红质如何能够减少酵母的衰老效应。其他研究人员已经开始使用类似的新型太阳能酵母来研究推进生物生产，这可能标志着生物燃料合成等方面的重大进步。然而，这一团队更热衷于探索这种额外的好处如何影响单细胞酵母向多细胞生物的转变。“我们有这个美丽的简单多细胞模型系统，”Burnett说，他指的是长期运行的多细胞长期进化实验(MuLTEE)。“我们想给它光营养，看看它是如何改变它的进化的。” ... PC版： 手机版：

生物学家通过珊瑚追查海洋生物发光的古老起源

生物学家通过珊瑚追查海洋生物发光的古老起源 生物发光生物通过化学反应产生光的能力在自然界中已经独立进化了至少94次，并参与了包括伪装、求偶、交流和狩猎在内的大量行为。到目前为止，最早的动物生物发光起源被认为是在大约 2.67 亿年前，在被称为"介形纲"的小型海洋甲壳类动物身上。但是，对于这种能发光的特性，生物发光的起源却一直很模糊。2009 年在巴哈马群岛展示生物荧光的八射珊瑚 Isidella sp.图片来源：Sönke Johnsen博物馆的珊瑚馆馆长、该研究的资深作者 Andrea Quattrini 说："没有人知道为什么动物中会首次出现这种进化。"但是，对于夸特里尼和主要作者、博物馆研究助理、前博士后丹尼尔-德里奥说，要最终解决生物发光进化的原因这个更大的问题，他们需要知道这种能力是什么时候首次出现在动物身上的。为了寻找这种特性的最早起源，研究人员决定回溯八射珊瑚的进化史。八射珊瑚是一种进化古老、经常发出生物光的动物，包括软珊瑚、海扇和海笔。与硬珊瑚一样，八射珊瑚也是一种微小的群体性珊瑚虫，它们分泌的框架成为它们的避难所，但与它们的石质亲戚不同的是，这种结构通常是柔软的。会发光的八射珊瑚通常只有在受到碰撞或其他干扰时才会发光，因此它们发光的确切功能还有点神秘。德里奥说："我们想弄清生物发光的起源时间，而八射珊瑚是地球上已知会发出生物发光的最古老的动物群体之一。所以，问题是它们是什么时候发展出这种能力的？"无独有偶，夸特里尼和哈维-马德学院的凯瑟琳-麦克法登在2022 年完成了一棵极为详细、证据确凿的八射珊瑚进化树。夸特里尼和她的合作者利用来自185种八射珊瑚的遗传数据绘制了这幅进化关系图，即系统发生图。有了这棵以基因证据为基础的进化树，德里奥和 Quattrini 便根据两块已知年龄的八射珊瑚的物理特征，将它们放入进化树中。科学家们利用这些化石的年龄和它们各自在章鱼进化树中的位置，大致推算出了章鱼支系分裂成两个或多个分支的时间。接下来，研究小组绘制出了系统进化树中具有生物发光物种的分支。在确定了进化树的日期并标注了包含发光物种的分支之后，研究小组利用一系列统计技术进行了一项名为"祖先状态重建"的分析。Quattrini说："如果我们知道今天生活的这些章鱼物种具有生物发光特性，我们就可以利用统计学推断出它们的祖先是否极有可能具有生物发光特性。具有共同特征的现存物种越多，随着时间的推移，这些祖先也可能具有这种特征的概率就越高。"研究人员在重建祖先状态时使用了许多不同的统计方法，但都得出了相同的结果：大约 5.4 亿年前，所有八射珊瑚的共同祖先很可能是生物发光体。这比之前被称为最早进化出生物荧光的发光甲壳动物早了 2.73 亿年。八射珊瑚有数千种生活代表，而且生物发光的发生率相对较高，这表明这种特性在八射珊瑚的进化成功中发挥了作用。研究人员说，虽然这进一步引出了八射珊瑚使用生物发光到底是为了什么的问题，但生物发光被保留了如此之久这一事实凸显了这种交流方式对于它们的适应和生存是多么重要。既然研究人员已经知道所有八射珊瑚的共同祖先很可能已经具备了自身发光的能力，那么他们就有兴趣更彻底地研究一下，在八射珊瑚类的 3000 多个现存物种中，哪些物种还能发光，哪些物种已经失去了这种特性。这将有助于找到与生物发光能力相关的一系列生态环境，并有可能阐明其功能。为此，德里奥说，她和她的一些合著者正在努力创造一种基因测试，以确定这些物种是否具有荧光素酶（一种参与生物发光的酶）基因的功能拷贝。对于光度未知的物种，这种测试将使研究人员能够更快、更容易地得到答案。除了揭示生物发光的起源，这项研究还提供了进化背景和见解，为今天监测和管理这些珊瑚提供了参考。珊瑚普遍受到气候变化和资源开采活动的威胁，尤其是捕鱼、石油和天然气开采和泄漏，以及最近的海洋矿物开采。这项研究为博物馆的海洋科学中心提供了支持，该中心旨在推动并与世界分享海洋知识。德里奥和Quattrini说，在科学家们弄清发光能力最初进化的原因之前，还有很多东西需要学习，尽管他们的研究结果将发光能力的起源置于进化时间的深处，但未来的研究仍有可能发现生物发光的历史更为久远。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

已知最早的皮肤化石令古生物学家感到震惊

已知最早的皮肤化石令古生物学家感到震惊 研究人员发现了一块三维皮肤化石碎片，它比之前描述的皮肤化石至少要早 2100 万年。这种皮肤属于古生代爬行动物的一个早期物种，表面呈鹅卵石状，与鳄鱼皮最为相似。表皮是陆生爬行动物、鸟类和哺乳动物皮肤的最外层，是过渡到陆地生活的重要进化适应。最近，《当代生物学》（Current Biology）杂志对这块化石以及从俄克拉荷马州理查兹斯普尔石灰岩洞穴系统采集的其他几块标本进行了描述。第一作者伊桑-穆尼（Ethan Mooney）是多伦多大学的一名古生物学研究生，本科时曾与多伦多大学的古生物学家罗伯特-雷兹（Robert Reisz）一起参与该项目，他说："这类发现可以真正丰富我们对这些先驱动物的理解和认识。"皮肤和其他软组织很少会成为化石，但研究人员认为，在这种情况下，皮肤有可能保存下来，因为洞穴系统具有独特的特征，其中包括减缓分解的细粘土沉积物、渗油以及可能是无氧环境的洞穴环境。皮肤化石 图片来源：《当代生物学》/Mooney 等人穆尼说："在二叠纪早期，动物会掉进这个洞穴系统，被埋在非常细的粘土沉积物中，从而延缓了腐烂过程。但最重要的是，这个洞穴系统在二叠纪期间也是一个活跃的石油渗漏点，石油中的碳氢化合物和焦油之间的相互作用很可能使这种皮肤得以保存下来。"发掘细节这块皮肤化石非常小，比指甲还小。多伦多大学密西沙加分校的 Tea Maho 是这块化石的合著者，她对化石进行了显微镜检查，发现了表皮组织，这是羊膜动物皮肤的标志，羊膜动物是陆生脊椎动物，包括爬行动物、鸟类和哺乳动物，在石炭纪由两栖类祖先进化而来。穆尼说："我们完全被眼前的景象震惊了，因为它完全不同于我们的想象。发现如此古老的皮肤化石是一次难得的机会，我们可以窥探过去，看看这些最早的动物的皮肤可能是什么样子的。"爬行动物的特征和进化意义这种皮肤具有古代和现存爬行动物的共同特征，包括与鳄鱼皮相似的鹅卵石表面，以及表皮鳞片之间的铰链区域，与蛇类和蠕虫蜥蜴的皮肤结构相似。不过，由于这块皮肤化石没有与骨骼或任何其他遗骸联系在一起，因此无法确定这块皮肤属于哪种动物或哪个身体区域。这种远古皮肤与今天的爬行动物皮肤相似，这表明这些结构对于在陆地环境中生存是多么重要。表皮是脊椎动物在陆地上生存的关键特征，它是身体内部过程和严酷外部环境之间的重要屏障。潜在的祖先联系和保护研究人员说，这种皮肤可能代表了早期羊膜动物中陆生脊椎动物的祖先皮肤结构，使鸟类的羽毛和哺乳动物的毛囊最终得以进化。这块皮肤化石和其他标本是由终身古生物学爱好者比尔和朱莉-梅在俄克拉荷马州的理查兹斯普尔收集的，这是一个石灰岩洞穴系统，也是一个活跃的采石场。理查兹斯普尔的独特条件保存了许多最古老的早期陆生动物标本。这些标本现存于安大略皇家博物馆。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

生物学家将鲸鱼的击鳍频率与蚊子联系起来

生物学家将鲸鱼的击鳍频率与蚊子联系起来 在研究中，研究人员使用维度分析法计算出一个方程，这个方程可以描述飞鸟、昆虫和蝙蝠的振翅频率，以及企鹅和鲸鱼等潜水动物的击鳍频率。研究人员发现，飞行和潜水动物拍打翅膀或鳍的频率与其体重除以翅膀面积的平方根成正比。他们将该方程的预测结果与已公布的蜜蜂、飞蛾、蜻蜓、甲虫、蚊子、蝙蝠以及从蜂鸟到天鹅等各种鸟类的拍翅频率数据进行了对比，从而检验了该方程的准确性。各种飞行动物的拍翅频率数据与动物质量除以翅/鳍面积的平方根的对比。资料来源：Jensen 等人，2024 年，PLOS ONE，CC-BY 4.0 ()他们还将该方程的预测结果与企鹅和几种鲸类（包括座头鲸和北方瓶鼻鲸）的鳍冲频率的公开数据进行了比较。尽管飞行动物和潜水动物在体型、翅膀形状和进化历史上存在巨大差异，但它们的体重、翅膀面积和拍翅频率之间的关系几乎没有变化。此外，研究人员还展示了他们的方程式如何能让人们了解已灭绝物种的拍翅频率。利用他们的方程，研究人员估计已灭绝的翼龙 Quetzalcoatlus northropi（已知最大的飞行动物）以 0.7 赫兹的频率拍打其 10 米见方的翅膀。研究表明，尽管存在巨大的身体差异，但蝴蝶和蝙蝠等不同动物的身体质量、翅膀面积和拍翅频率之间的关系相对稳定。研究人员指出，对于游泳动物，他们没有找到包含所有必要信息的出版物；不同出版物中的数据被拼凑在一起进行比较，在某些情况下，动物密度是根据其他信息估算的。此外，极小的动物比目前发现的任何动物都要小很可能不符合等式，因为流体动力学的物理原理在如此小的尺度上也会发生变化。这可能会对未来的飞行纳米机器人产生影响。作者说，这个方程是最简单的数学解释，它准确地描述了整个动物王国的翅膀拍打和鳍的划动。作者补充说："从蓝鲸到蚊子，414 种动物的翼/鳍搏动频率几乎相差 10000 倍，但它们的数据却在同一条线上。作为物理学家，我们惊讶地发现，我们对翅膀跳动公式的简单预测竟然适用于如此多样的动物。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

古生物学家发现距今1800万年的新品种虾虎鱼化石

古生物学家发现距今1800万年的新品种虾虎鱼化石 勒芒大学古生物学家发现了一种新的虾虎鱼化石属，揭示了虾虎鱼这一欧洲最多样化鱼类的早期进化阶段和栖息地适应性。图为新属†Simpsonigobius的鱼化石。图片来源：Moritz Dirnberger通过鉴定淡水虾虎鱼化石的一个新属，卢塞恩大学"地球生物学和古生物学"国际硕士课程的学生和卢塞恩大学地球与环境科学系教授、古生物学家贝蒂娜-莱辛巴赫（Bettina Reichenbacher）取得了一项发现，为了解这些鱼类的进化史提供了重要依据。新属†Simpsonigobius小鱼在土耳其距今1800万年前的岩石中被发现，其最大尺寸为34毫米，具有独特的形态特征组合，包括形状独特的耳石（听石）。为了确定†Simpsonigobius在鹅膏鱼系统发育树中的关系，研究人员利用了一个"总证据"系统发育数据集，并对该数据集进行了改进，以便将48个活体物种和10个化石物种的48个形态特征和来自5个基因的遗传数据结合起来。此外，研究小组还首次对虾虎鱼化石物种采用了"尖端定年法"。这是一种系统发生学方法，利用系统发生树中化石（=尖端）的年龄来推断整个类群进化历史的时间。研究结果表明，新属是"现代"虾虎鱼科（虾虎鱼科和背眼虾虎鱼科）中拥有同类骨骼的最古老成员，也是现代虾虎鱼科中最古老的淡水虾虎鱼。尖端定年分析估计戈壁虾虎鱼科出现于距今3410万年前，而牛虾虎鱼科出现于距今3480万年前，这与之前使用其他方法进行的定年研究一致。此外，研究人员首次将虾虎鱼化石纳入随机栖息地绘图中，发现虾虎鱼在其进化史的初期可能具有广泛的耐盐性，这对之前的假设提出了挑战。"†Simpsonigobius的发现不仅为Gobioidei鱼类增添了一个新属，而且为这些多样化鱼类的进化时间表和栖息地适应性提供了重要线索。我们的研究凸显了利用现代方法分析化石记录以更准确地了解进化过程的重要性，"Reichenbacher 说。第一作者莫里茨-迪恩伯格（Moritz Dirnberger）目前是蒙彼利埃大学的博士生，他补充道："这些发现有望为进一步研究虾虎鱼的进化以及环境因素在形成其多样性方面的作用铺平道路。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：