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海洋哺乳动物“重返摇篮” 还需经过“七十二变”

来源:科技日报2021-10-14 15:18

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    尽管不同支系的海洋哺乳动物具有完全不同的祖先和不同的演化历程,但是这些动物在体温维持、体型、低氧耐受、回声定位、深潜及视力等相关的基因上却发生了一致性改变,呈现趋同演化的适应性演化机制。

    海洋是生命的摇篮。根据生物进化史,哺乳动物的出现经过了从地球生命起源到远古鱼类诞生,继而部分鱼类从海洋走向陆地,开始出现两栖乃至真正脱离水环境的羊膜动物,之后羊膜动物的一部分继续演化,哺乳动物诞生的漫长历程。其中从鱼类走上陆地到第一个哺乳动物的出现花了大约3亿年。

    哺乳动物中有一类被称为“海兽”的特殊群体——海洋哺乳动物。在上岸后,其不同支系又分别独立地由陆地重返海洋,依赖海洋资源生存或完全生活在海洋中,还有少数生活在淡水中。

    好不容易从水里爬上陆地的这些哺乳动物为何要“二次入水”?其由陆地重返水中要如何演化适应?日前,中国科学院深海科学与工程研究所海洋哺乳动物研究团队联合西北工业大学、青岛华大基因研究院等科研机构在《美国科学院院刊》发文,揭示了海洋哺乳动物适应海洋环境及其趋同演化的重要遗传机制。

    物种演化受气候和环境驱动

    海洋哺乳动物是指适应水生环境的哺乳动物,现存物种129个。它们是海洋中胎生哺乳、肺呼吸、恒体温、流线型且前肢特化为鳍状的脊椎动物,包括鲸类、鳍足类、海牛类以及北极熊和海獭,还有小部分生活在淡水中,如栖息在我国长江中下游的白鱀豚。

    海洋哺乳动物具有一些共同的、适应水生环境的特征,如身体呈流线型、四肢变鳍或退化、听觉发达、嗅觉和味觉退化、体脂增厚、低氧耐受、压力耐受和渗透压调节能力增强等。

    根据达尔文的进化论,只有适者才能生存。地球上物种的演化过程是动物对环境适应性演化的具体体现,主要受气候及环境变化的驱动。

    “海洋哺乳动物的演化史就是典型的适者生存案例。”该论文通讯作者对科技日报记者说。

    关于海洋哺乳动物不同支系的神奇进化史,可以从白垩纪说起。

    6500万年前的白垩纪末期,地球史上发生了第5次生物大灭绝事件,大约75%—80%的物种灭绝了。一部分科研人员认为,是小行星对地球的撞击改变了当时的地球环境,导致大量大型陆生动物,尤其是恐龙的灭绝。长鼻目的祖先为了躲避恶劣的陆地环境,一部分于6400万年前进入海洋,成为水陆两栖的哺乳动物,进而形成了现今的海牛。

    鲸类则起源于约5550万年前的古新世—始新世极热事件。根据伯格曼法则,当时是地球板块运动的活跃时期,地壳中大量的碳释放到空气中导致大气温度快速升高,驱使地球上的哺乳动物往小体型方向演化,并四处扩散寻找新的栖息地。研究发现,鲸类的祖先体长大约仅0.5米,它们为了躲避高温,开始了由陆地到海洋的演化历程。

    始新世的中后期是地球温度持续降低的一个时间段,全球气温持续下降的趋势在渐新世被打断。渐新世初期气温在40万年内急剧下降了8.2℃,齿鲸和须鲸就在这个气温骤降期分化了。之后,地球进入了一段从3250万年前至2550万年前长达700万年的气温平稳震荡期。鳍足类动物的祖先就起源于这一平稳震荡期。同时,这一时期也是大型食肉动物和哺乳动物多样性演化的一个时期。研究发现,北极熊和海獭的演化历程较短,仅在大致50万至100万年前开始分化,是最年轻的海洋哺乳动物。它们虽然保留了许多陆生哺乳动物的特征,但是主要依赖海洋生存,因此也被归为海洋哺乳动物。

    双重调控实现体温恒定

    科研团队的此次研究通过全基因组测序方式进行。为了最大限度地寻找到海洋哺乳动物每一类群所包含的生物共同点,他们从动物自然分类法的科级出发,对17个海洋哺乳动物物种进行了全基因组测序及组装,重建了基于全基因组数据有史以来的最全面的海洋哺乳动物系统发生树。

    不仅如此,为分析海洋哺乳动物从陆地重返海洋的分子适应机制,科研团队将海洋哺乳动物全基因组与其陆生—近缘物种的全基因组进行了大量比较,并进一步从基因组演化、基因演化、非编码保守元件等多方面对海洋哺乳动物的鲸类、鳍足类、海牛类这3个主要支系,从陆地重返海洋的分子适应机制进行了全面分析和探究。

    “我们发现,尽管不同支系的海洋哺乳动物具有完全不同的祖先和不同的演化历程,但是这些动物在体温维持、体型、低氧耐受、回声定位、深潜及视力等相关的基因上却发生了一致性改变,呈现趋同演化的适应性演化机制。”该论文通讯作者说。

    海水的高导热性导致动物身体热量更容易向水中散失,这是哺乳动物由陆地重返海洋面临的主要挑战之一。而海洋哺乳动物从陆地返回海洋,却和在陆地上一样,依然保持令人吃惊的体温控制能力。它们是如何做到的呢?

    关于这个问题,科研团队从分子层面找到了更明确的解释。“不同海洋哺乳动物支系都存在从产热和散热两个方面的改变进行体温调节的情况,”该论文通讯作者说,“既通过NFIA和UCP1两组基因来调控棕色脂肪细胞的合成和利用,从而控制产热的变化,又通过SMEA3E基因的改变,使得海洋哺乳动物的血管系统发生适应性改变以调节热量的散失。双重调控最终实现维持体温恒定。”

    事实上,研究人员在海洋哺乳动物的基因组中发现的是这些基因编码指令的潜在用途,即NFIA基因上调或下调影响间质前体的细胞命运,UCP1基因的完整性影响棕色脂肪细胞正常功能,而海洋哺乳动物发达的血管系统有助于热传递以维持体温恒定。

    多个基因发生适应性进化

    据进一步介绍,为了适应水生环境,海洋哺乳动物的骨骼形态也发生了不同程度的改变,比如前肢变成鳍状肢,身体呈流线型或者纺锤形。研究发现,与骨骼发育密切相关的蛋白聚糖的生物合成途径中,两个关键基因在海洋哺乳动物体内发生了特异性改变,这极有可能会影响到海洋哺乳动物骨骼形态的变化。

    除此之外,研究还发现了与低氧耐受、回声定位、深潜及视力相关基因在海洋哺乳动物中发生了分子层面的适应性进化。

    科研团队此次研究成果,建立了全面的海洋哺乳动物基因组数据集,并为海洋哺乳动物的水生适应相关性状及不同海洋哺乳动物支系间趋同演化提供了更多的遗传学证据,为科研人员后续更深入地开展海洋哺乳动物水生环境适应机制等研究提供了良好的数据支持。同时,此研究对揭示全球生物多样性的形成及维持机制,以及探讨环境适应性和物种演化的关系具有重要的意义。

    然而,科研人员认为,虽然在基因层面找到了一些证据,但要进一步揭示海洋哺乳动物对水生环境的分子适应机制,还需获得更多物种高质量的全基因组数据,以及单细胞转录组数据、蛋白组和代谢组数据,开展大量更细致的比较分析及实验验证。

    “此外,目前对于海洋哺乳动物高智商、高社会化以及长寿等特性的分子机制仍然知之甚少,进一步的研究有望在这些方面取得突破。”该论文通讯作者说。

    王祝华

[ 责编:涂子怡 ]
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