Wie haben wir uns vom Affen zum Menschen „verwandelt“?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Ran Hao (Biodiversity Genomics Group, Kunming Institute of Zoology, Chinesische Akademie der Wissenschaften) Zhou Long (Center for Life Evolution, Zhejiang University)

Hersteller: China Science Expo

In der Biologie gehört der Mensch zu einer Gruppe von Säugetieren, die als Primaten bezeichnet werden. Affen, Menschenaffen... Unter den Primaten hat der Mensch viele „Verwandte“. Wir und sie haben einen gemeinsamen Vorfahren. Wer ist also dieser gemeinsame Vorfahre? Wie sind wir Schritt für Schritt zu Menschen geworden? Die Herkunft dieser Primaten hat die Menschen schon immer beunruhigt. Mit der jüngsten Bekanntgabe der Zwischenergebnisse des Primatengenomprojekts sind wir der Beantwortung dieser Frage einen Schritt näher gekommen.

Von den Vorfahren zu blühenden Zweigen

Um die Frage „Wie sind wir Schritt für Schritt zu Menschen geworden?“ zu beantworten, müssen wir die komplexe evolutionäre Beziehung zwischen uns Menschen und unseren Primaten-„Verwandten“ verstehen. Das Primatengenomprojekt hat uns die „Black Box“ der Primatenevolution geöffnet.

Das Team um Zhang Guojie von der Zhejiang-Universität und das Team um Wu Dongdong vom Zoologischen Institut Kunming der Chinesischen Akademie der Wissenschaften nutzten in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus dem In- und Ausland vollständige Genomdaten von 50 Primatenarten, um eine Ahnenanalyse durchzuführen (das heißt, um auf die Ursprünge verschiedener Primatengruppen zu schließen).

Für diese Arbeit ist eine hohe Abdeckung biologischer Gruppen durch die Proben erforderlich, um genauere Ergebnisse zu erzielen. Die Proben dieser Studie umfassten 38 Gattungen aus 14 Familien, darunter 27 neue Genomdaten hoher Qualität und Populationen, die in früheren Studien weniger stark involviert waren.

Daher hat diese Studie die Zuverlässigkeit der Ergebnisse und die Artenabdeckung im Vergleich zu früheren Studien erheblich verbessert.

Nach der Auswahl der Primatenproben verwendete das Forschungsteam die Genome von Gleithörnchenaffen und Spitzhörnchen – zwei Arten, die eng mit Primaten verwandt sind, aber keine Primaten sind – als Außengruppen, um die evolutionären Beziehungen der Primaten zu rekonstruieren und den Zeitpunkt zu ermitteln, an dem sich die großen Gruppen im Laufe der Geschichte in unterschiedliche Richtungen entwickelten.

Was sind die Ergebnisse? Dies beginnt mit der riesigen „Familie“ der Primaten.

Es gibt mehr als 500 lebende Primatenarten und Taxonomen klassifizieren sie in 79 Gattungen in 16 Familien der Ordnung Primaten.

Evolutionsbaum der Primaten

(Bildquelle: Primatenbilder wurden von Stephen D. Nash gezeichnet und von der Forschungsgruppe von Zhang Guojie und der Forschungsgruppe von Wu Dongdong bereitgestellt)

Unter ihnen sind die Halbaffen (Unterordnung Strepsirrhini) eine relativ primitive Gruppe. Sie sind in Afrika, Südasien und Ostasien verbreitet. Zu dieser Gruppe gehören Lemuren, Plumploris und Buschaffen. Die Hauptgruppe der modernen Primaten, die Einfachnasen (Unterordnung Haplorrhini), umfasst zwei Hauptgruppen: die Schmalnasen (Catarrhini) und die Breitnasen (Platyrrhini), wobei es sich bei letzteren ebenfalls um zwei verschiedene Evolutionszweige handelt.

Katarrhinen sind hauptsächlich in Eurasien und Afrika verbreitet. Eine ihrer intuitiveren morphologischen Eigenschaften ist, dass der Abstand zwischen ihren beiden Nasenlöchern sehr kurz ist. Wir Menschen gehören zur Familie der Katarrhini (Sie können Ihre Nase berühren, um dieses Merkmal zu spüren). Affen der Familie der Catarrhine werden üblicherweise als Altweltaffen bezeichnet (der Tradition zufolge gehören Eurasien und Afrika zur „Alten Welt“ und Amerika zur „Neuen Welt“). Dazu zählen auch die Paviane, Makaken, Langohraffen usw., von denen wir oft sprechen.

Ein weiterer Zweig der Catarrhini, die Menschenaffen, sind die Schwestergruppe der Altweltaffen und ebenfalls in der „Alten Welt“ verbreitet. Die Gibbons im Gedicht „Die Affen auf beiden Seiten des Flusses schreien unaufhörlich“ gehören zu den kleinen Menschenaffen, während Schimpansen, Orang-Utans, Gorillas und Menschen zu den großen Menschenaffen zählen. In manchen Fällen, in denen wir unsere Herkunft bewusst betonen, bezeichnen wir uns manchmal als „nackte Affen“. Im Laufe seiner Evolution aus den Menschenaffen verlor der Mensch seine dichte Körperbehaarung und entwickelte stattdessen eine aufrechtere Gangart, eine besser entwickelte Gehirnstruktur und eine komplexere Sozialstruktur.

In Amerika gibt es keine Affen. Die dortigen Primaten sind Platyrrhini, auch Neuweltaffen genannt, zu denen unter anderem Krallenaffen, Kapuzineraffen, Nachtaffen, Sakis und Klammeraffen zählen. Wie der Name schon sagt, sind ihre Nasenlöcher weit auseinander. Darüber hinaus sind die Schwänze der Neuweltaffen sehr flexibel und können beim Klettern hilfreich sein.

Die Analyse der Studie kam zu dem Schluss, dass der jüngste gemeinsame Vorfahre aller Primaten vor 68,29 bis 64,95 Millionen Jahren aufgetaucht sein könnte. Dieser Zeitraum liegt sehr nahe am Massenaussterben am Ende der Kreidezeit vor 65,5 Millionen Jahren, das zum Aussterben der Nicht-Vogel-Dinosaurier führte, und liegt ungefähr an der zeitlichen Grenze der Kreidezeit. Dies bedeutet, dass die Evolution der Primaten möglicherweise durch Massenaussterben beeinflusst wurde. Welche Auswirkungen dies hatte, ist eine Frage, die künftige Forschung beantworten muss.

Sich schnell entwickelndes Gehirn

Entscheidend sind die Veränderungen im Gehirn vom Affen zum Menschen.

Der Mensch verfügt möglicherweise über das intelligenteste Gehirn im Tierreich. Unser Gehirn verfügt nicht nur über eine größere Kapazität, auch die Struktur unserer Großhirnrinde ist komplexer. Wie der Rest des Körpers hat sich auch das menschliche Gehirn aus unseren Primatenvorfahren entwickelt.

Im Laufe der langen Evolution hat sich die Gehirnkapazität der Primaten schrittweise erhöht, das Verhältnis des Gehirns zum Körper hat sich schrittweise vergrößert und der Grad der kortikalen Faltung ist immer komplexer geworden. Während der Evolution der Primaten gab es vier Schlüsselknotenpunkte für die signifikante Zunahme der relativen Gehirnkapazität, die bei den Vorfahren der Anthropoiden, den Vorfahren der Catharinae, den Vorfahren der Menschenaffen und dem Menschen auftraten.

Dieser Trend wurde nach dem Aufkommen großer Menschenaffenarten wie den Gorillas besonders deutlich und erreichte beim Menschen seinen Höhepunkt. Der Mensch verfügt nicht nur über die größte Gehirnkapazität aller Primaten, sondern auch über die am komplexesten gefaltete Großhirnrinde.

Die Evolution der Gehirnkapazität bei Primaten und die Veränderungen im Genom während dieses Prozesses

(Bildquelle: Gehirnbilder der Michigan State University, bereitgestellt von der Forschungsgruppe von Zhang Guojie und der Forschungsgruppe von Wu Dongdong)

Studien haben ergeben, dass während der Evolution der Primaten viele Gene, die mit der Gehirnentwicklung in Zusammenhang stehen, an wichtigen evolutionären Knotenpunkten positiv selektiert wurden, das heißt, diese Gene wurden durch natürliche Selektion gestärkt. Daher spekulieren die Forscher, dass diese Gene eine wichtige Rolle bei der Zunahme des Gehirnvolumens bei Primaten spielen.

Zu diesen Genen gehören auch einige Schlüsselgene im Zusammenhang mit der Gehirnentwicklung, die in früheren experimentellen Studien entdeckt wurden. Mutationen in diesen Genen können bei Mäusen zu einer Beeinträchtigung der Gehirnfunktion führen. Mikrozephalie beispielsweise ist ein schwerwiegender neurologischer Defekt beim Menschen, bei dem das Gehirnvolumen der Patienten abnimmt, weil die Fähigkeit der Nervenzellen zur Vermehrung blockiert ist. Mit Mikrozephalie verbundene Gene wurden in mehreren Zweigen stark positiv selektiert und könnten bei der Vergrößerung des Gehirns bei Primaten eine Rolle gespielt haben.

Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass einige nicht-kodierende Regionen an Schlüsselknotenpunkten der Evolution der Primaten eine beschleunigte Evolution durchliefen. Nicht-kodierende Regionen sind DNA-Bereiche, die keine Proteine ​​produzieren, aber die Genexpression beeinflussen können, wodurch letztlich die Menge der produzierten entsprechenden Proteine ​​erhöht oder verringert wird. Viele dieser Regionen fallen in die regulatorischen Regionen von Genen, die mit der Gehirnentwicklung in Zusammenhang stehen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Primaten ihre Gehirnstruktur im Laufe des langen Evolutionsprozesses kontinuierlich optimiert haben, indem sie die Expression gehirnbezogener Gene reguliert haben.

Die oben genannten Erkenntnisse zeigen, dass **Primaten im Laufe des Evolutionsprozesses schließlich eine weiterentwickelte Gehirnform entwickelten und viele Gene und ihre regulatorischen Regionen daran beteiligt waren, **was unser Verständnis des molekularen Mechanismus der Evolution des Primatengehirns bereichert.

Auf der Suche nach dem verlorenen Schwanz eines Mannes

Im Laufe der Evolution verlor der Mensch seinen Schwanz.

Unabhängig von der Länge haben fast alle Wirbeltiere einen Schwanz. Der Schwanz, der am Gesäß wächst, wird auch als postanaler Schwanz bezeichnet. Bei einigen agilen Primatenarten können Schwänze unterschiedlicher Länge dabei helfen, ihren Körper zu stabilisieren, zu wenden und die Geschwindigkeit zu kontrollieren. Die Schwänze der Platyrrhini können auch als Griff dienen und so beim Klettern helfen. Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Vorfahren der Affen ihren Schwanz verloren, der zu einem wichtigen Merkmal der Affen wurde. Wie haben Affen ihre Schwänze verloren?

Interessanterweise verschwanden die Schwänze der Affen völlig, und bis heute gibt es keine Fossilienfunde darüber, dass die Vorfahren der Affen nach und nach ihre Schwänze verloren hätten. Bereits das frühe Menschenaffenfossil Proconsul, das vor etwa 20 Millionen Jahren lebte, hatte keinen Schwanz. Durch den Verlust ihres Schwanzes erlangten die Affen den Vorteil des aufrechten Gangs, verloren jedoch auch die Fähigkeit, beim Klettern mit Hilfe des Schwanzes das Gleichgewicht zu halten. Dies könnte dazu geführt haben, dass manche Affen sich von der Baumkrone auf den Boden bewegten.

Zuvor haben Biologen einige Untersuchungen hierzu durchgeführt und aus adaptiver Sicht über die Gründe spekuliert, warum Affen ihren Schwanz verloren haben. Auf der Ebene der Molekularbiologie gibt es noch sehr wenig einschlägige Forschung und man vermutet, dass dieses Phänomen mit Mutationen in bestimmten Genregulationssequenzen zusammenhängt.

In dieser Studie stellten die Forscher durch die Erkennung von Veränderungen im Genom von Hominidenarten im Vergleich zu anderen Primaten fest, dass sich eine große Zahl von Mutationen in den nicht-kodierenden regulatorischen Regionen mehrerer Gene angesammelt hat, wie zum Beispiel in der regulatorischen Region des Gens KIAA1217.

Mutationen im KIAA1217-Gen können beim Menschen Fehlbildungen der Wirbelsäule und des Steißbeins verursachen und die normale Entwicklung der Wirbelsäule beeinträchtigen. Bei Mäusen führen Mutationen in diesem Gen zu einer Verringerung der Anzahl der Steißbeinwirbel. Genregulative Regionen sind spezielle Bereiche auf der DNA, die die Funktion von Genen regulieren können, oder anders ausgedrückt, einige spezielle DNA-Sequenzen. Diese genregulatorische Region befindet sich in der Enhancer-Region des Gens KIAA1217 und befindet sich in derselben topologisch assoziierten Domäne (TAD) wie das Gen. Dies lässt darauf schließen, dass diese Genregulationsregion eine starke Wechselwirkung mit dem Gen aufweist und die Expression des KIAA1217-Gens regulieren könnte.

Die DNA-Sequenz dieser genregulatorischen Region unterscheidet sich bei Affen stark von der bei anderen Primaten. Die Forscher spekulieren, dass Mutationen in diesen Regionen wahrscheinlich zu einem Ungleichgewicht bei der Expression des KIAA1217-Gens führen, was dazu führt, dass die Affen ihren Schwanz verlieren. Obwohl diese Hypothese noch weiterer Forschung und Überprüfung bedarf, hat uns diese Entdeckung neue Hinweise geliefert, die uns helfen, die Evolutionsgeschichte der Affen besser zu verstehen.

Die schnelle Evolution der regulatorischen Region des KIAA1217-Gens bei Affen könnte zum Verlust ihrer Schwänze geführt haben

(Bildquelle: bereitgestellt von der Forschungsgruppe von Zhang Guojie und der Forschungsgruppe von Wu Dongdong)

Knochen, Körperform, Verdauungssystem ...

Im Laufe der Evolution entwickelten sich Skelett, Körperform und Verdauungssystem des gemeinsamen Vorfahren der Primaten weiter und er passte sich gleichzeitig an verschiedene Umgebungen und Nahrungsmittel an. Neben der schnellen Evolution des Gehirns haben diese Aspekte der Evolution auch einen wichtigen Einfluss auf die Anpassungsfähigkeit und Überlebensfähigkeit von Primaten. Diese Studie entdeckte auch viele wichtige Gene, die mit diesen Veränderungen in Zusammenhang stehen.

Das Skelettsystem spielt in der Evolution der Primaten eine außerordentlich wichtige Rolle, und Gene, die mit der Knochenentwicklung in Zusammenhang stehen, spielen eine besonders wichtige Rolle bei der adaptiven Evolution einer baumbewohnenden Lebensweise. Bei Primatenvorfahren unterlagen vier mit der Knochenentwicklung in Zusammenhang stehende Gene (PIEZ01, EGFR, BMPER und NOTCH2) einer starken positiven Selektion und ihre spezifischen Funktionen müssen noch weiter geklärt werden. Die Forscher fanden außerdem vier positiv selektierte Gene bei Gibbons (LONP1, BRCA2, NEK1 und SLC25A24). Variationen dieser Gene beeinflussen die Knochenlänge und verlängern dadurch den Unterarm. Sie spielen eine wichtige Rolle bei den Aktivitäten der Gibbons in Bäumen und bei der Nahrungssuche.

Die Größe von Primaten variiert stark und reicht vom Mausmaki, der nur wenige Dutzend Gramm wiegt, bis zum Gorilla, der über 200 Kilogramm wiegt. Forscher haben in den Genen der Vorfahren der Menschenaffen mehrere wichtige Gene entdeckt, die möglicherweise die Entwicklung der Körpergröße der Gorillas beeinflusst haben. Eines davon ist das DUOX2-Gen, das an der Synthese von Schilddrüsenhormonen beteiligt ist, die für die körperliche Entwicklung wichtig sind. Mutationen im DUOX2-Gen können dazu führen, dass Mäuse kleiner werden. Darüber hinaus sind mehrere Gene an der Gestaltung regulatorischer Wege beteiligt, die die Skelettentwicklung und die Körpergröße beeinflussen.

Verschiedene Primaten haben unterschiedliche Essgewohnheiten und entsprechende Verdauungssysteme. Manche Primaten (wie etwa die blätterfressenden Stummelaffen) fressen gern Blätter und haben zur Anpassung an diese Ernährung ein einzigartiges Vorderdarmsystem entwickelt. Die Studie identifizierte einige wichtige Verdauungsgene, die bei den Vorfahren der Stummelaffen einer positiven Selektion unterlagen und zur Anpassung an diesen besonderen Ernährungszustand spezifische Aminosäurevarianten anhäuften.

Beispielsweise kodiert das ACADM-Gen ein Enzym namens Acyl-CoA-Dehydrogenase, das eine Schlüsselrolle bei der Verstoffwechselung aufgenommener Fettsäuren spielt. Veränderungen in diesem Gen verbessern bei Stummelaffen ihre Fähigkeit, Fettsäuren zu verdauen. Beispielsweise könnten die angesammelten Mutationen des NOX1-Gens Stummelaffen dabei helfen, ihre Mikroben zu regulieren, sodass sie Blätter besser verdauen können. Ihr Darm kann durch mikrobielle Fermentation auch kurzkettige flüchtige Fettsäuren produzieren und so für mehr Energie sorgen.

Zusammenhang zwischen evolutionären Merkmalen des Primatengenoms und phänotypischen Merkmalen

(Bildquelle: bereitgestellt von der Forschungsgruppe von Zhang Guojie und der Forschungsgruppe von Wu Dongdong)

Abschluss

Das Primatengenomprojekt erforschte nicht nur den Evolutionsprozess und die Artbildung bei Primaten, einschließlich Menschenaffen (wie beispielsweise den ersten Bericht über hybride Artbildung unter Primaten), sondern untersuchte auch die Chromosomenevolution, sich rasch entwickelnde DNA-Sequenzen, unvollständige Abstammungsdivergenz von Genen usw. Seine Errungenschaften gehen weit darüber hinaus. Sie müssen wissen, dass es sich hierbei um eine umfangreiche und gründliche Studie handelt.

Auf der Suche nach dem Ursprung des Lebens geben Biologen nie aus Angst vor Schwierigkeiten auf. Wer sind wir? Um diese Frage zu beantworten, „lösen“ Menschen Rätsel in Buchstabengruppen und erforschen die Geheimnisse der Evolution. Wir sind fest davon überzeugt, dass die Menschheit eines Tages die gesamte Geschichte des Lebens schreiben wird.

Notiz:

Einführung in das Primatengenomprojekt

Es gibt weltweit mehr als 500 Primatenarten, die zu 16 Familien und 9 Gattungen gehören. Aufgrund ihrer engen Verwandtschaft mit dem Menschen sind nichtmenschliche Primaten von großer Bedeutung für das Verständnis der Herkunft, Evolution, physiologischen Merkmale, Krankheiten usw. des Menschen. Chinesische Wissenschaftler haben in Zusammenarbeit mit einer Reihe von Forschungszentren im In- und Ausland das Primatengenomprojekt ins Leben gerufen. Ziel des Projekts ist die Erforschung des Ursprungs und Differenzierungsvorgangs von Primatenarten, einschließlich des Menschen, sowie der Evolution und genetischen Grundlage der sozialen Organisation von Primaten und verschiedener physiologischer Merkmale durch multidisziplinäre, fachübergreifende Mittel und Teamarbeit. Darüber hinaus wird das Programm das genetische Variationsprofil von Primaten und seine Auswirkungen auf die Variationsmuster menschlicher krankheitsverursachender Gene untersuchen.

Forschungskonsortium des Primatengenomprojekts

Das Team von Professor Zhang Guojie vom Center for Life Evolution Research der Zhejiang-Universität

Das Team des Forschers Wu Dongdong vom Kunming Institute of Zoology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Das Team von Professor Qi Xiaoguang von der School of Life Sciences der Northwestern University

Das Team des Forschers Yu Li von der School of Life Sciences der Yunnan University

Das Team von Professor Tomàs Marquès-Bonet vom Gemeinsamen Institut für Evolutionsbiologie der Universität Pompeu Fabra, Spanien

Illumina-Labor für künstliche Intelligenz

Das Team von Professor Jeffrey Rogers vom Human Genome Sequencing Center am Baylor College of Medicine

Mikkel H. Schierup-Team von der Universität Aarhus, Dänemark

Das Team von Professor Christian Roos vom Leibniz-Institut für Primatenforschung in Deutschland

Zwischenergebnisse der Forschung (11 Forschungsarbeiten)

Wissenschaftliche Forschungsausgabe (8 Artikel)

Fiziev PP, Mcrae J, Ulirsch JC, ..., Farh K KH. 2023. Seltene penetrante Mutationen bergen ein hohes Risiko für häufige Krankheiten. Science 380. Doi: 10.1126/science.abo1131.

Gao H, Hamp T, Ede J, ..., Farh K KH. 2023. Die Landschaft der tolerierten genetischen Variation bei Menschen und Primaten. Science 380. Doi: 10.1126/science.abn8197.

Kuderna LFK, Gao H, Janiak MC, ..., Bonet TM. 2023. Ein globaler Katalog der gesamten Genomvielfalt von 233 Primatenarten. Science 380, 906-913. Doi: 10.1126/science.abn7829.

Qi XG, Wu JW, Zhao L, ..., Li BG. 2003. Anpassungen an ein kaltes Klima förderten die soziale Evolution bei asiatischen Stummelaffen. Science 380.Doi: 10.1126/science.abl8621.

Rivas-gonzález I, Rousselle M, Li F,..., Zhang GJ. Die weit verbreitete unvollständige Sortierung der Abstammungslinien gibt Aufschluss über Artbildung und Selektion bei Primaten. Science 380.DOI: 10.1126/science.abn4409.

Shao Y, Zhou L, Li F,..., Wu DD. 2023. Phylogenomische Analysen liefern Einblicke in die Evolution der Primaten, Science 380, 913-924.Doi: 10.1126/science.abn6919.

Sørensen EF, Harris RA, Zhang LY, ..., Rogers J. 2023. Genomweite gemeinsame Abstammung enthüllt Details der alten und neueren, vom Mann gesteuerten Vernetzung bei Pavianen. Science 380. Doi: 10.1126/science.abn8153.

Wu H, Wang Z, Zhang Y, ..., Yu L. 2023. Hybrider Ursprung eines Primaten, des Graustumpfnasenaffen. Science 380. Doi: 10.1126/science.abl4997.

Wissenschaftliche Fortschritte (2 Artikel)

Bi XP, Zhou L, Zhang JJ, ..., Zhang GJ. 2023. Abstammungsspezifische beschleunigte Sequenzen, die der Primatenevolution zugrunde liegen. Wissenschaftliche Fortschritte 9. Doi: 10.1126/sciadv.adc9507.

Zhang BL, Chen W, Wang ZF, ..., Wu DD. 2023. Vergleichende Genomik enthüllt den hybriden Ursprung einer Makakengruppe. Wissenschaftliche Fortschritte 9. Doi: 10.1126/sciadv.add3580.

Naturökologie und Evolution (1 Artikel)

Zhou Y, Zhan XY, Jin JZ, ..., Zhang GJ. 2023. Achtzig Millionen Jahre schnelle Evolution des Y-Chromosoms bei Primaten. Naturökologie und Evolution. Doi: 10.1038/s41559-022-01974-x.

(Hinweis: Lateinischer Text sollte kursiv gedruckt werden.)