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Nature:解开达尔文世纪困惑之谜

摘要 : 科学家们解开了一个近200年历史的进化谜题,这个谜题围绕着的一组哺乳动物曾被达尔文称作为是“发现的最奇怪的动物”。研究人员证实了在1万年前消失的南美“原生有蹄动物”(native ungulates)与诸如马一类的哺乳动物,而非一些分类学家坚持的、与非洲有着古老的进化联系的大象以及其他物种有关。

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科学家们解开了一个近200年历史的进化谜题,这个谜题围绕着的一组哺乳动物曾被达尔文称作为是“发现的最奇怪的动物”。由美国自然历史博物馆、伦敦自然历史博物馆和纽约大学领导的这项新研究证实了,在1万年前消失的南美“原生有蹄动物”(native ungulates)与诸如马一类的哺乳动物,而非一些分类学家坚持的、与非洲有着古老的进化联系的大象以及其他物种有关。这些发表在今天《自然》(Nature)杂志上的研究结果是建立在化石蛋白质序列的基础上。

论文的作者之一、美国自然历史博物馆哺乳动物学部主任Ross MacPhee 说:“将南美有蹄动物拟合到哺乳动物家族树中对于古生物学家而言是一个巨大的挑战,因为从解剖学上讲它们是一群奇怪的嵌合体,显示出到处生存的各种无亲缘关系物种的一些特征。在20世纪的早期这曾让达尔文和他的合作者Richard Owen感到极为困惑。所有的这些相互矛盾的信息使得他们无法确定,这些有蹄动物与巨型啮齿动物、大象、或是骆驼等是否有亲缘关系。”

论文的作者、伦敦自然历史博物馆课题负责人Ian Barnes说:“尽管已对这些动物的骨头进行了180多年的研究,却无法获得有关它们起源的清晰图像。我们一开始试图通过检测古老的DNA来解开这一谜题。”

然而,研究小组很快就认识到来自化石的古老DNA没有在这些样本中保存下来,因为在南美典型的温暖、潮湿的条件下DNA分子会快速地降解。当研究人员转而分析存在于所有动物骨骼中的一种结构蛋白——胶原蛋白(collagen)获得了突破。胶原蛋白可以在各种各样的条件下保存至少100万年或更长的时间。构成蛋白质的氨基酸其化学结构最终是由生物体DNA中特异的编码序列所决定。由于这一重要的联系,可以比较不同物种中相同蛋白的氨基酸组成来认识物种之间亲缘关系的远近。

纽约大学的Matthew Collins教授说:“人们曾成功地检索了有400多万年历史的样本的胶原蛋白序列,而这只是个开始。从理论上讲,有了在冻土条件下回收的材料,我们能够追溯到1000万年前。”

科学家们利用蛋白质组学分析筛查了48个箭齿兽(toxodon platensis)和长颈驼(macrauchenia patachonica)的化石。180年前达尔文在乌拉圭和阿根廷发现了这些物种的残骸。

论文的主要作者、纽约大学及马克斯普朗克进化人类学研究所博士说Frido Welker说:“通过选择保存最完好的骨骼样本,并对蛋白质组学分析进行各种改进,我们获得了两个物种近92%的胶原蛋白序列。这为古生物学和古人类学中的各种其他应用开辟了道路。”

利用现代的系统发生解读技术,研究人员最终证实与这些物种亲缘关系最近的存活动物是奇蹄动物,这类动物包括马、犀牛和貘。这使得它们成为了劳亚兽总目( Laurasiatheria )的组成部分。分子证据确证了一些领先的古生物学家提出的观点:这些南美有蹄动物的祖先是在6000多万年前来自北美,有可能是在非鸟类恐龙和许多其他的脊椎动物大灭绝之后。因为这些南美有蹄动物是如此大且多样的种群,尚不清楚研究人员未研究的其他谱系是否都具有相同的起源。

MacPhee说:“这绝对是有可能的。我们现在正与南美的同时合作抽取化石样本,或许可以一劳永逸地解开这些惊人动物的起源地。”

原文链接:Ancient proteins resolve the evolutionary history of Darwin’s South American ungulates

No large group of recently extinct placental mammals remains as evolutionarily cryptic as the approximately 280 genera grouped as ‘South American native ungulates’. To Charles Darwin, who first collected their remains, they included perhaps the ‘strangest animal[s] ever discovered’. Today, much like 180 years ago, it is no clearer whether they had one origin or several, arose before or after the Cretaceous/Palaeogene transition 66.2 million years ago, or are more likely to belong with the elephants and sirenians of superorder Afrotheria than with the euungulates (cattle, horses, and allies) of superorder Laurasiatheria. Morphology-based analyses have proved unconvincing because convergences are pervasive among unrelated ungulate-like placentals. Approaches using ancient DNA have also been unsuccessful, probably because of rapid DNA degradation in semitropical and temperate deposits. Here we apply proteomic analysis to screen bone samples of the Late Quaternary South American native ungulate taxa Toxodon (Notoungulata) and Macrauchenia (Litopterna) for phylogenetically informative protein sequences. For each ungulate, we obtain approximately 90% direct sequence coverage of type I collagen α1- and α2-chains, representing approximately 900 of 1,140 amino-acid residues for each subunit. A phylogeny is estimated from an alignment of these fossil sequences with collagen (I) gene transcripts from available mammalian genomes or mass spectrometrically derived sequence data obtained for this study. The resulting consensus tree agrees well with recent higher-level mammalian phylogenies. Toxodon and Macrauchenia form a monophyletic group whose sister taxon is not Afrotheria or any of its constituent clades as recently claimed, but instead crown Perissodactyla (horses, tapirs, and rhinoceroses). These results are consistent with the origin of at least some South American native ungulates from ‘condylarths’, a paraphyletic assembly of archaic placentals. With ongoing improvements in instrumentation and analytical procedures, proteomics may produce a revolution in systematics such as that achieved by genomics, but with the possibility of reaching much further back in time.

来源: Nature 浏览次数:38

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