美国虹鳟为适应新环境,求生欲超强!100年超速完成进化!

发表时间:2018/10/7 15:42:06  来源:科普中国  浏览次数:14  
字体大小: 【小】 【中】 【大】
用生产第一线的水产养殖体会!助推渔业发展提振产业效益!

柳宗元的《三戒·黔之驴》一文讲了这样的故事:贵州本无驴,一好事者将一头驴带入贵州。在野外,驴遇到本地物种老虎。起先老虎不知驴之底细,看似庞然大物,不敢贸然动手,试探几次后,终于将其吃掉。

在现代科学看来,柳宗元讲的其实是外来物种引入适应进化的问题。贵州本无驴,好事者引入,属于引入外来物种。这个外来物种能否适应新的环境,就看它的造化了。造化好的话可说迅速适应当地环境,比如红火蚁。无法适应的话,就地淘汰,如这黔之驴。

求生欲超强!美国虹鳟为适应新环境,100年超速完成进化!

图1 驴和老虎(图片来自维基百科)

进化速度:几分钟还是几百年?

提到进化,一般人都会以为是漫长的过程。天地玄黄,宇宙洪荒,自从地球上有了第一个生命开始,进化的齿轮就开始运转,永不停息。历经35亿年,进化的力量造就了地球上丰富的物种多样性。

其实不然,进化的速度和物种的寿命相关,有快有慢。一般而言,越是寿命长、高级的动物,进化的周期越长,比如人类;反过来,越是寿命短、低等级的动物进化越快,像细菌,几个小时甚至几分钟就可以完成一次进化。

当然,进化还和周围环境变化、物种竞争等因素相关,比如适应性进化和协同进化。通常,外来引入的物种面临的新的生态环境条件与其在本土范围差别很大。因此,研究外来引入物种可以更好地探讨适应性进化过程

所谓的适应性进化(adaptive evolution)是指,物种在进化的过程中,为了适应特殊的环境,局部结构和功能发生了变化,这也就是为何不同的物种存在于各种特定的区域中的原因。适应性进化不同于协同进化,协同进化是指关系密切的两个物种,在进化上发展相互适应的特性。

改变自己:虹鳟适应新环境之路

黔之驴是不幸的,还没来得及适应,就进入老虎腹中。相比之下,美国虹鳟幸运多了。在19世纪90年代,来自加利福尼亚州的虹鳟(Oncorhynchus mykiss),被"好吃者"引入密歇根湖(淡水湖),在那里生存繁衍下来,成为外来引入物种。原本虹鳟在河流中孵化,卵成年回到海洋中生活。而这些生活在密歇根湖的虹鳟虽然会继续到上河流产卵,不过成年后不再返回海洋,而是回到密歇根湖。

为了研究它们如何适应从海水(半生海水半生淡水)到淡水的环境,科学家们对264条虹鳟进行了基因组测序。这264条虹鳟一部分来自密歇根湖,剩下的来自原产地。

经过对比,科学家确定人为引入导致密歇根湖的虹鳟所有29条染色体的遗传多样性一致降低。尽管遗传多样性降低,密歇根湖的虹鳟三个染色体区域发生了改变,这些改变与适应新环境相关。第一个区域里包含神经酰胺激酶(ceramide kinase)的功能发生变化,这可能会改变密歇根湖虹鳟的代谢和伤口愈合率,可以修复寄生虫带来的伤害。很多淡水鱼类具有这样的特征。第二个和第三个区域编码碳酸酐酶和溶质载体蛋白发生改变,二者都对渗透调节至关重要,可以令密歇根湖虹鳟在生理上适应淡水。

求生欲超强!美国虹鳟为适应新环境,100年超速完成进化!

图2. 虹鳟(图片来自维基百科)

这项研究表明,尽管全基因组遗传多样性减少,物种可以迅速适应新的环境,不可思议的是,密歇根湖虹鳟仅仅用了百余年就完成了生活史的转变,这是典型的快速进化。

时光不可逆转,进化上却可溯本求源。由于人为的引入,密歇根湖的虹鳟经历的环境发生了变化,这些鲑鱼体内的基因开始发生变化。基因的突变是无序、偶然的,一部分个体不经意间发生有利的突变。于是它和它的后代存活下来,慢慢繁衍。而那些发生不利突变的个体就被无情淘汰。百余年后,这些适应新环境的个体完全适应了淡水的生活,进化完成!

求生欲超强!美国虹鳟为适应新环境,100年超速完成进化!

图3:图片来自维基百科

治世求稳,乱世则变。相比于黔之驴,美国虹鳟在密歇根湖的生存、繁衍全赖快速进化之福。物种的进化和自身的生活史密切相关同时受到环境变化的影响,一般而言繁衍快、寿命短的物种更容易完成进化。

与此同时,剧烈的环境变化比平稳的环境更能迫使动物产生进化。与驴相比,虹鳟寿命更多、繁殖周期更快,它所面临的环境变化更加剧烈,这是在短短100年内虹鳟完成适应性进化的原因。

参考文献:

Willoughby JR et al. 2018. Rapid genetic adaptation to a novel environment despite a genome-wide reduction in genetic diversity. Molecular Ecology, doi: 10.1111/mec.14726.

欢迎关注本站"水花鱼"微信公众帐号和头条号!将会定期向你推送本号信息!将为你精诚服务!

文章评论
发表评论:(匿名发表无需登录,已登录用户可直接发表。) 登录状态: 未登录,点击登录

网址: 下载app领彩金不限制ip 地址:湖街道 手机网址:
重庆市永川区双竹渔业协会,重庆市永川区水花鱼养殖专业合作社,重庆吉永水产品养殖股份合作社,重庆市永川区丰祥渔业有限公司

渔业水产精英论谈