撰文?阿克塞爾·邁耶（Axel Meyer）

阿克塞爾·邁耶是德國康斯坦茨大學(xué)的動物學(xué)與演化生物學(xué)教授。他主要研究適應(yīng)性與生物多樣性在分子層面和機體層面的機制。他是首批使用DNA測序研究物種差異與物種形成的科學(xué)家之一。

翻譯?薄錦

 

在自然界中，麗魚的種類非常豐富，與生存在同一湖泊中其他魚類相比也更易演化出新的特征。科學(xué)家試圖通過研究麗魚的基因揭開其演化背后的秘密。

在非洲、美洲及印度次大陸的尖角處，有很多適宜麗魚生存的熱帶淡水河與淡水湖。與生存在同一湖泊中其他魚類相比，麗魚能以更驚人的速度分化并形成數(shù)量眾多的屬種。自然界的脊椎動物中，能像麗魚一樣在屬種的絕對數(shù)量、體型、顏色及行為模式上擁有如此多變形態(tài)的物種少之又少。此外，麗魚在演化過程中身上的特征會反復(fù)出現(xiàn)，即使是不同種類的麗魚也能平行演化出相同的適應(yīng)性特征。

多年來，科學(xué)家始終對麗魚多變的演化形態(tài)感到好奇，而基因組測序技術(shù)的進步無疑為其研究麗魚DNA提供了更多支持。目前，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了麗魚基因組的一些獨特性狀，認為這或許就是它們能夠快速演化并重復(fù)出現(xiàn)某些特征的原因。同時，研究人員也希望借此研究能更深入地認識生物演化機制的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進而解開相關(guān)物種的起源之謎。

變化多端的麗魚

研究人員選取了東非的維多利亞湖、馬拉維湖及坦噶尼喀湖的麗魚作為考察對象。生存在這些水域的麗魚如彩虹般色彩各異，體長也從2至100厘米不等。這些麗魚不僅可以根據(jù)不同的生存環(huán)境演化出不同的適應(yīng)性，還能進食生存環(huán)境中任何一種可以作為食物的物種。

在東非麗魚的屬種中，有一些高度特化的器官曾在演化中反復(fù)頻繁地出現(xiàn)。例如生存在這三處水域中的僅以其他魚類鱗片為食的麗魚全部都演化出了“內(nèi)彎”齒，用以勾住進食對象身上的鱗片。它們的口頜也演化成了不對稱的形狀，其張開方向呈現(xiàn)出永遠朝左或朝右的單一性。同時，自然選擇也讓這兩種不對稱口頜的麗魚數(shù)量處于均衡狀態(tài)。

另一種多次出現(xiàn)的特征——特大號的魚唇出現(xiàn)在主要以捕食巖縫中的食物為生的麗魚上。巨型的魚唇可以幫助麗魚將獵物從藏身之處吸出來，并起到密封和減震的作用。更令人驚訝的是，無論在非洲的生存水域或新世界的繁殖地中，都存在多種麗魚平行演化出厚唇特征的現(xiàn)象。

不斷變異不斷演化

盡管麗魚在演化過程中出現(xiàn)了高度特化的適應(yīng)性特征，但不斷分化出的多樣性與其平行演化之間似乎存在著矛盾。理論上，進食器官高度特化的麗魚只能適應(yīng)十分有限的食物來源，一旦食物來源出現(xiàn)問題，該物種便會陷入困境。那么麗魚又是如何成功避免陷入此困境的？研究人員給出的一種解釋是：麗魚擁有一種與其他淡水魚截然不同的奇特解剖結(jié)構(gòu)，它們除了擁有一對正常的口頜之外，在咽喉處還有一對咽頜。在吃下食物的過程中，麗魚會先用口頜將其磨碎，再經(jīng)過咽頜對食物進行二次研磨與加工，這樣它們就能在演化出特化器官的同時保留對各類食物的廣泛適應(yīng)性，以便在出現(xiàn)食物危機或食物替代時能夠及時適應(yīng)。

咽頜的出現(xiàn)雖然解釋了麗魚能夠抵抗特化帶來的風(fēng)險，但它們產(chǎn)生這種新穎演化方式的原因、迅速改變控制性狀基因的原因等問題仍需要研究人員在今后繼續(xù)探索。隨著基因組快速測序法的出現(xiàn)，本文作者阿克塞爾·邁耶和其實多名來自世界各地的研究人員組成了一支研究團隊，在探索中逐漸找到了麗魚取得成功演化結(jié)果的原因。

研究麗魚的基因組需要解決的首要問題之一是弄清導(dǎo)致其體內(nèi)氨基酸發(fā)生突變的因素。研究人員發(fā)現(xiàn)，羅非魚的演化表現(xiàn)并不如其他麗魚科的魚明顯，但它身上出現(xiàn)的突變數(shù)量卻遠超于棘魚等其他魚。據(jù)研究人員推測，麗魚中受到突變影響的基因大部分會在頜骨的發(fā)育上表現(xiàn)出來，這一表現(xiàn)或許就是麗魚對食物來源產(chǎn)生高度適應(yīng)性的源頭。在這種情況下，作用在多處基因上的選擇壓力成為加速麗魚新物種形成的一種反應(yīng)機制。

研究人員也對麗魚基因組中單一基因的多份拷貝進行了研究。此前人們知道，如果一段基因出現(xiàn)了重復(fù)，新的副本就可能會發(fā)生變異。由于這種現(xiàn)象是在不丟失對應(yīng)基因遺傳信息的基礎(chǔ)上進行的，因此另一份副本依然有效，從而使這種突變方式可以幫助生物適應(yīng)周邊的環(huán)境。基因組分析的結(jié)果表明，麗魚發(fā)生基因重復(fù)的概率要比“正常”的棘魚高出5倍。

研究人員開始對第三種基因組機制進行分析。這種“跳躍基因”能自我復(fù)制，并從基因組的一處位置跳到另一處。當(dāng)它跳躍到新位置，重新搭配的基因會發(fā)生功能性的改變并影響到蛋白質(zhì)的編碼和蛋白質(zhì)的性質(zhì)，使其成為驅(qū)動麗魚演化的重要力量。研究發(fā)現(xiàn)，在麗魚的基因組中出現(xiàn)了數(shù)次基因跳躍的快速積累，其中某一次集中發(fā)生基因跳躍的時期恰好與維多利亞湖中麗魚快速演化的階段相吻合。這意味著跳躍基因或許對麗魚的快速演化起到了促進作用。

研究團隊也對較少出現(xiàn)變異的DNA序列作了相關(guān)檢查。基因組中非編碼蛋白質(zhì)的基因片段往往會在大尺度的演化過程中表現(xiàn)出高度保守性，被稱為保守非編碼元件（簡稱CNE），麗魚的CNE同樣可能會影響它們的基因功能。研究人員發(fā)現(xiàn)，不同品種麗魚的CNE極其相似，并且明顯于比其他物種的CNE變異。這一現(xiàn)象表明，CNE的變異使麗魚產(chǎn)生不同特性的同時演化出了新的屬種。

miRNA是另一種在不同物種中表現(xiàn)出高度保守性的遺傳物質(zhì)，這種小型分子如同一個負責(zé)告知基因應(yīng)該在何時何處開始工作的開關(guān)。在麗魚身上，研究人員發(fā)現(xiàn)了40種此前從未在其他魚類身上見過的miRNA。盡管目前研究人員尚不完全理解麗魚基因組中大量miRNA的工作方式，但他們相信這同樣也是使麗魚發(fā)生變異的重要因素之一。

新瓶裝舊酒

對麗魚基因組進行的初步研究表明新的隨機性突變在麗魚的演化過程中扮演了十分重要的角色。但值得懷疑的是，由重復(fù)基因和跳躍基因引發(fā)的變異是否已在麗魚演化的早期階段就完成了大部分工作。研究人員設(shè)想，也許這些變異悄無聲息地潛伏在麗魚的基因里，隨麗魚進入新的生態(tài)環(huán)境而找到了巨大的生存優(yōu)勢。自然選擇更促使這些能適應(yīng)新環(huán)境的物種進行大量的增殖。

之所以得出這一結(jié)論，是因為研究人員在研究麗魚的基因組時無法在其身上找到固定不變的基因差異。事實上，即便是在魚類已從祖先的初態(tài)逐漸演變成新物種之后，其物種基因庫中還是會保留早期的基因變異。這些古老的變異基因除了能為麗魚快速演化提供動力，還能幫助研究人員理解同一種高度特化的特征在不同屬種間反復(fù)出現(xiàn)的原因。但本文所描述的基因組機制并非麗魚演化的唯一驅(qū)動力。研究人員相信，環(huán)境因素的變遷也對麗魚的分化速度產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響，多種因素共同促使更多麗魚屬種出現(xiàn)在更為復(fù)雜的棲息地中。

如今，研究團隊已經(jīng)完成了基因測序，并通過強大的新技術(shù)對所得數(shù)據(jù)進行分析。憑借著更多技術(shù)與數(shù)據(jù)支持，人類對麗魚演化的認知一定會快速進步。

 

本文由《環(huán)球科學(xué)》（《科學(xué)美國人》中文版）供稿，編者有刪改。

 

更多精彩！歡迎關(guān)注“科普中國-科技前沿大師談”官方微信（kjqydst）。

 

麗魚：一個物種的極度演化

圖文簡介

麗魚的種類非常豐富，科學(xué)家試圖通過研究麗魚的基因揭開其演化背后的秘密。