科技日?qǐng)?bào)記者王祝華

海洋是生命的搖籃。根據(jù)生物進(jìn)化史，哺乳動(dòng)物的出現(xiàn)經(jīng)過了從地球生命起源到遠(yuǎn)古魚類誕生，繼而部分魚類從海洋走向陸地，開始出現(xiàn)兩棲乃至真正脫離水環(huán)境的羊膜動(dòng)物，之后羊膜動(dòng)物的一部分繼續(xù)演化，哺乳動(dòng)物誕生的漫長(zhǎng)歷程。其中從魚類走上陸地到第一個(gè)哺乳動(dòng)物的出現(xiàn)花了大約3億年。

哺乳動(dòng)物中有一類被稱為“海獸”的特殊群體——海洋哺乳動(dòng)物。在上岸后，其不同支系又分別獨(dú)立地由陸地重返海洋，依賴海洋資源生存或完全生活在海洋中，還有少數(shù)生活在淡水中。

好不容易從水里爬上陸地的這些哺乳動(dòng)物為何要“二次入水”？其由陸地重返水中要如何演化適應(yīng)？日前，中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所海洋哺乳動(dòng)物研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)、青島華大基因研究院等科研機(jī)構(gòu)在《美國(guó)科學(xué)院院刊》發(fā)文，揭示了海洋哺乳動(dòng)物適應(yīng)海洋環(huán)境及其趨同演化的重要遺傳機(jī)制。

物種演化受氣候和環(huán)境驅(qū)動(dòng)

海洋哺乳動(dòng)物是指適應(yīng)水生環(huán)境的哺乳動(dòng)物，現(xiàn)存物種129個(gè)。它們是海洋中胎生哺乳、肺呼吸、恒體溫、流線型且前肢特化為鰭狀的脊椎動(dòng)物，包括鯨類、鰭足類、海牛類以及北極熊和海獺，還有小部分生活在淡水中，如棲息在我國(guó)長(zhǎng)江中下游的白鱀豚。

海洋哺乳動(dòng)物具有一些共同的、適應(yīng)水生環(huán)境的特征，如身體呈流線型、四肢變鰭或退化、聽覺發(fā)達(dá)、嗅覺和味覺退化、體脂增厚、低氧耐受、壓力耐受和滲透壓調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)等。

根據(jù)達(dá)爾文的進(jìn)化論，只有適者才能生存。地球上物種的演化過程是動(dòng)物對(duì)環(huán)境適應(yīng)性演化的具體體現(xiàn)，主要受氣候及環(huán)境變化的驅(qū)動(dòng)。

“海洋哺乳動(dòng)物的演化史就是典型的適者生存案例?！痹撜撐耐ㄓ嵶髡邔?duì)科技日?qǐng)?bào)記者說。

關(guān)于海洋哺乳動(dòng)物不同支系的神奇進(jìn)化史，可以從白堊紀(jì)說起。

6500萬年前的白堊紀(jì)末期，地球史上發(fā)生了第5次生物大滅絕事件，大約75%—80%的物種滅絕了。一部分科研人員認(rèn)為，是小行星對(duì)地球的撞擊改變了當(dāng)時(shí)的地球環(huán)境，導(dǎo)致大量大型陸生動(dòng)物，尤其是恐龍的滅絕。長(zhǎng)鼻目的祖先為了躲避惡劣的陸地環(huán)境，一部分于6400萬年前進(jìn)入海洋，成為水陸兩棲的哺乳動(dòng)物，進(jìn)而形成了現(xiàn)今的海牛。

鯨類則起源于約5550萬年前的古新世—始新世極熱事件。根據(jù)伯格曼法則，當(dāng)時(shí)是地球板塊運(yùn)動(dòng)的活躍時(shí)期，地殼中大量的碳釋放到空氣中導(dǎo)致大氣溫度快速升高，驅(qū)使地球上的哺乳動(dòng)物往小體型方向演化，并四處擴(kuò)散尋找新的棲息地。研究發(fā)現(xiàn)，鯨類的祖先體長(zhǎng)大約僅0.5米，它們?yōu)榱硕惚芨邷?，開始了由陸地到海洋的演化歷程。

始新世的中后期是地球溫度持續(xù)降低的一個(gè)時(shí)間段，全球氣溫持續(xù)下降的趨勢(shì)在漸新世被打斷。漸新世初期氣溫在40萬年內(nèi)急劇下降了8.2℃，齒鯨和須鯨就在這個(gè)氣溫驟降期分化了。之后，地球進(jìn)入了一段從3250萬年前至2550萬年前長(zhǎng)達(dá)700萬年的氣溫平穩(wěn)震蕩期。鰭足類動(dòng)物的祖先就起源于這一平穩(wěn)震蕩期。同時(shí)，這一時(shí)期也是大型食肉動(dòng)物和哺乳動(dòng)物多樣性演化的一個(gè)時(shí)期。研究發(fā)現(xiàn)，北極熊和海獺的演化歷程較短，僅在大致50萬至100萬年前開始分化，是最年輕的海洋哺乳動(dòng)物。它們雖然保留了許多陸生哺乳動(dòng)物的特征，但是主要依賴海洋生存，因此也被歸為海洋哺乳動(dòng)物。

雙重調(diào)控實(shí)現(xiàn)體溫恒定

科研團(tuán)隊(duì)的此次研究通過全基因組測(cè)序方式進(jìn)行。為了最大限度地尋找到海洋哺乳動(dòng)物每一類群所包含的生物共同點(diǎn)，他們從動(dòng)物自然分類法的科級(jí)出發(fā)，對(duì)17個(gè)海洋哺乳動(dòng)物物種進(jìn)行了全基因組測(cè)序及組裝，重建了基于全基因組數(shù)據(jù)有史以來的最全面的海洋哺乳動(dòng)物系統(tǒng)發(fā)生樹。

不僅如此，為分析海洋哺乳動(dòng)物從陸地重返海洋的分子適應(yīng)機(jī)制，科研團(tuán)隊(duì)將海洋哺乳動(dòng)物全基因組與其陸生—近緣物種的全基因組進(jìn)行了大量比較，并進(jìn)一步從基因組演化、基因演化、非編碼保守元件等多方面對(duì)海洋哺乳動(dòng)物的鯨類、鰭足類、海牛類這3個(gè)主要支系，從陸地重返海洋的分子適應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了全面分析和探究。

“我們發(fā)現(xiàn)，盡管不同支系的海洋哺乳動(dòng)物具有完全不同的祖先和不同的演化歷程，但是這些動(dòng)物在體溫維持、體型、低氧耐受、回聲定位、深潛及視力等相關(guān)的基因上卻發(fā)生了一致性改變，呈現(xiàn)趨同演化的適應(yīng)性演化機(jī)制。”該論文通訊作者說。

海水的高導(dǎo)熱性導(dǎo)致動(dòng)物身體熱量更容易向水中散失，這是哺乳動(dòng)物由陸地重返海洋面臨的主要挑戰(zhàn)之一。而海洋哺乳動(dòng)物從陸地返回海洋，卻和在陸地上一樣，依然保持令人吃驚的體溫控制能力。它們是如何做到的呢？

關(guān)于這個(gè)問題，科研團(tuán)隊(duì)從分子層面找到了更明確的解釋。“不同海洋哺乳動(dòng)物支系都存在從產(chǎn)熱和散熱兩個(gè)方面的改變進(jìn)行體溫調(diào)節(jié)的情況，”該論文通訊作者說，“既通過NFIA和UCP1兩組基因來調(diào)控棕色脂肪細(xì)胞的合成和利用，從而控制產(chǎn)熱的變化，又通過SMEA3E基因的改變，使得海洋哺乳動(dòng)物的血管系統(tǒng)發(fā)生適應(yīng)性改變以調(diào)節(jié)熱量的散失。雙重調(diào)控最終實(shí)現(xiàn)維持體溫恒定?！?/p>

事實(shí)上，研究人員在海洋哺乳動(dòng)物的基因組中發(fā)現(xiàn)的是這些基因編碼指令的潛在用途，即NFIA基因上調(diào)或下調(diào)影響間質(zhì)前體的細(xì)胞命運(yùn)，UCP1基因的完整性影響棕色脂肪細(xì)胞正常功能，而海洋哺乳動(dòng)物發(fā)達(dá)的血管系統(tǒng)有助于熱傳遞以維持體溫恒定。

多個(gè)基因發(fā)生適應(yīng)性進(jìn)化

據(jù)進(jìn)一步介紹，為了適應(yīng)水生環(huán)境，海洋哺乳動(dòng)物的骨骼形態(tài)也發(fā)生了不同程度的改變，比如前肢變成鰭狀肢，身體呈流線型或者紡錘形。研究發(fā)現(xiàn)，與骨骼發(fā)育密切相關(guān)的蛋白聚糖的生物合成途徑中，兩個(gè)關(guān)鍵基因在海洋哺乳動(dòng)物體內(nèi)發(fā)生了特異性改變，這極有可能會(huì)影響到海洋哺乳動(dòng)物骨骼形態(tài)的變化。

除此之外，研究還發(fā)現(xiàn)了與低氧耐受、回聲定位、深潛及視力相關(guān)基因在海洋哺乳動(dòng)物中發(fā)生了分子層面的適應(yīng)性進(jìn)化。

科研團(tuán)隊(duì)此次研究成果，建立了全面的海洋哺乳動(dòng)物基因組數(shù)據(jù)集，并為海洋哺乳動(dòng)物的水生適應(yīng)相關(guān)性狀及不同海洋哺乳動(dòng)物支系間趨同演化提供了更多的遺傳學(xué)證據(jù)，為科研人員后續(xù)更深入地開展海洋哺乳動(dòng)物水生環(huán)境適應(yīng)機(jī)制等研究提供了良好的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，此研究對(duì)揭示全球生物多樣性的形成及維持機(jī)制，以及探討環(huán)境適應(yīng)性和物種演化的關(guān)系具有重要的意義。

然而，科研人員認(rèn)為，雖然在基因?qū)用嬲业搅艘恍┳C據(jù)，但要進(jìn)一步揭示海洋哺乳動(dòng)物對(duì)水生環(huán)境的分子適應(yīng)機(jī)制，還需獲得更多物種高質(zhì)量的全基因組數(shù)據(jù)，以及單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、蛋白組和代謝組數(shù)據(jù)，開展大量更細(xì)致的比較分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

“此外，目前對(duì)于海洋哺乳動(dòng)物高智商、高社會(huì)化以及長(zhǎng)壽等特性的分子機(jī)制仍然知之甚少，進(jìn)一步的研究有望在這些方面取得突破。”該論文通訊作者說。

關(guān)鍵詞： 七十二變 海洋 哺乳動(dòng)物 重返