我们对鸟类的认识大错特错

大约 6500 万年前，一颗巨大的小行星撞击地球。虽然著名的霸王龙等陆地恐龙灭绝了，但许多鸟类动物却开始繁衍生息。考虑到地球上有超过 10,000 种鸟类，繁衍生息甚至可能是一种轻描淡写的说法。将鸟类组织成一个整齐的家谱是一项艰巨的任务，因为鸟类种类繁多，而且它们的进化史不太清楚。然而，基因组测序和分析方面的一些进展开始为地球上现存恐龙的进化过程绘制出一幅更清晰的图景。

在 4 月 1 日发表于《美国国家科学院院刊》 （PNAS）和《自然》杂志上的两项研究中，科学家发现，大约 6500 万年前的一次遗传事件误导了他们对鸟类进化历史的认识。一条染色体的一部分没有像它应该的那样与附近的 DNA 混合在一起。这部分只是鸟类基因组的一小部分，但足以让科学家难以构建更详细的鸟类家谱。

一小块粘性 DNA

2014 年，用于研究基因组的计算机技术的进步帮助科学家拼凑出新鸟纲的家谱。这个群体包括大多数鸟类。他们利用 48 种鸟类的基因组，将新鸟纲分成两大类。鸽子和火烈鸟属于一类，其他所有鸟类都属于另一类。

当在这项新研究中对 363 种鸟类重复进行类似的基因分析时，研究小组发现了不同的家谱。这棵树指向四个主要群体，并表明火烈鸟和鸽子的关系更远，而这一切都归结于染色体上的一个特定位置。

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研究小组在这两棵家谱中寻找能够告诉他们哪棵是正确的。他们在基因组上发现了一个点，那里的基因并没有像数百万年的有性生殖那样混合在一起。

“当我们观察单个基因以及它们所支持的树时，突然发现所有支持老树的基因都集中在一个地方，”发表在《国家科学院院刊》上的这项研究的合著者、佛罗里达大学生物学家爱德华·布劳恩在一份声明中说。“这就是整个事情的起因。”

鸟类将父亲和母亲的基因组合到下一代，但它们在产生精子和卵子时首先会混合从父母那里继承的基因。这个过程称为重组，人类也会发生这种情况。重组可确保没有两个兄弟姐妹完全相同，从而最大限度地提高物种的遗传多样性。

一条染色体的一部分没有像它应该的那样与附近的 DNA 混合，基本上在时间中冻结了数百万年。这个染色体部分只占鸟类基因组的 2%，但足以让科学家相信大多数鸟类可以分为两大类——雀类和鸽类。这棵新的、更准确的家谱考虑到了鸟类基因组中这个误导性的部分，并确定了四大类鸟类。

研究小组还发现证据表明，鸟类染色体上的这个位点自恐龙消失以来就抑制了重组过程。目前尚不清楚导致恐龙灭绝的白垩纪-第三纪灭绝事件与这些基因组异常是否有关联。

这种基因抑制的结果是，火烈鸟和鸽子在这一粘性 DNA 片段中看起来彼此相似，但从整个基因组来看，这两组实际上关系更远。现在可以认为火烈鸟和鸽子在遗传上关系更远。据该团队称，这种被困的遗传之谜可能潜伏在其他生物的基因组中。

建立更好的鸟类家族树

这项研究发表在《自然》杂志上，详细绘制了一张复杂的图表，详细记录了 363 种鸟类（约占所有鸟类科属的 92%）之间 9300 万年的进化关系。这张更新的家谱揭示了白垩纪-第三纪灭绝事件后鸟类进化史的模式。

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研究人员注意到早期鸟类的有效种群规模、替代率和相对脑容量急剧增加。这些进化变化为了解这场改变地球的灭绝事件后推动鸟类物种多样化的适应机制提供了新的线索。

为了实现这一目标，他们利用了一套名为 ASTRAL 的计算机算法。该程序有助于快速准确地推断进化关系，并使团队能够整合鸟类基因组中 60,000 多个区域的基因组数据。然后，他们研究基因组中各个片段的进化历史，并将几棵基因树拼凑在一起，以构建更大的物种树。

“我们发现，将数万个基因添加到分析中的方法实际上是解决鸟类物种间进化关系的必要方法，”研究合著者、加州大学圣地亚哥分校计算机工程师 Siavash Mirarab 在一份声明中表示。“你真的需要所有的基因组数据，才能高可信地恢复 6500 万至 6700 万年前这一特定时期发生的事情。”

这些计算方法还帮助研究小组阐明了鸟类基因组中某一染色体的特定部分，该部分在数百万年内始终保持不变，并且使科学家难以研究这些变化。

“令人惊讶的是，这段抑制重组的时期可能会误导分析，”布劳恩说。“而且因为它可能会误导分析，所以它实际上在 6000 多万年后才可以被检测到。这真是太酷了。”

在未来的研究中，类似的计算机模型可以帮助重建各种其他动物的进化树。该团队希望继续努力，构建更完整的鸟类进化图景。生物学家还将继续对其他鸟类的基因组进行测序，以进一步扩大它们的家谱。

这项工作是国际鸟类 10,000 基因组 (B10K) 项目的一部分，该项目是一项多机构合作项目，目标是为大约 10,500 种现存鸟类生成草图基因组序列。