Мел-палеогеновое вымирание повлияло на эволюцию генома птиц

Мел-палеогеновое (K-Pg) вымирание произошло около 66 млн лет назад в результате столкновения с землей астероида и уничтожило нептичьих динозавров (т.е. всех за исключением клады, включающей современных птиц). В настоящее время все больше данных указывает на то, что это событие оказало значительное влияние на эволюцию переживших его животных. Так, у ряда линий наблюдалось уменьшение массы тела. Однако, хотя древней фауне этого периода уделяется много внимания, довольно мало известно о влиянии K-Pg вымирания на современные линии животных. Как показало новое исследование, результаты которого опубликованы в Science Advances, мел-палеогеновое вымирание значительно воздействовало на процессы эволюции птиц и способствовало формированию их современного разнообразия.

Большинство исследований эволюционной истории с применением молекулярных данных в настоящее время основываются на концепте молекулярных часов. Этот метод анализа предполагает, что замены нуклеотидов в геноме происходят с практически постоянной скоростью, что позволяет, например рассчитать время до разделения двух линий на основе количества изменений в геноме. Однако в настоящее время большинство подобных исследований все еще предполагают гомогенную модель, то есть постулируют неизменной скорость появления замен на протяжении всей эволюционной истории вида. Такой подход может «маскировать» информацию о значимых эволюционных событиях.

В новой работе исследователи применили метод, позволяющий идентифицировать изменения в паттернах возникновения замен нуклеотидов в геноме. Они проанализировали данные о 198 линиях птиц по 910 локусам, находящимся в кодирующих и некодирующих регионах. Анализ выявил 17 изменений в моделях молекулярной эволюции на 12 филогенетических ветвях. Из них 15 находятся очень близко к K-Pg границе. В этих моделях различаются скорости нуклеотидных замен в разных частях генома, а также скорости разных типов замен. С учетом ветвей, несущих несколько изменений, авторы выявили 13 моделей, необходимых для объяснения существующего разнообразия последовательностей генома (одна предковая и 12 производных от нее). Большинство изменений приходились на моменты отделения крупных клад птиц, многие из которых ранее имели статус отряда или надотряда.

Авторы особо отмечают, что проведенный анализ не основывался на информации об абсолютном времени обнаруженных изменений.

С помощью методов машинного обучения авторы выявили связи между изменениями в паттернах молекулярной эволюции и появлением новых биологических признаков. Оказалось, что изменения в модели молекулярной эволюции чаще всего были ассоциированы с изменением в типе развития (птенцовые или выводковые птицы), массе тела, размере кладки и переходу к питанию зерном. В большинстве линий наблюдалась тенденция к птенцовому типу — рождению птенца несформированным и беспомощным, долгое пребывание его в гнезде, а также к уменьшению массы тела. При этом клада, включающая в том числе нанду и казуаров, демонстрировала увеличение массы тела в сравнении с предковым состоянием.

Наконец, анализ метаболизма показал, что молекулярные изменения на K-Pg границе сопровождались изменениями в зависимости скорости основного обмена от массы тела. Например, для линий, в которых присутствовало уменьшение средней массы тела, уменьшался коэффициент наклона зависимости метаболизма от массы. Подобные изменения ассоциированы с более быстрым ростом и ранним созреванием, что соответствует тенденции к птенцовому типу развития.

Таким образом, исследование продемонстрировало, что катаклизм на границе мелового и палеогенового периодов оказал мощное влияние на формирование современного разнообразия птиц. Из него также следует, что при исследовании молекулярной эволюции необходимо учитывать короткие периоды быстрых изменений, которые могут быть скрыты при использовании гомогенных моделей.

Скорость эволюции диких животных выше, чем полагали ранее