數十萬海膽幼體罕見變異觸發進化機制

圖：美國佛蒙特大學生物學家梅麗莎·佩斯佩尼(Melissa Pespeni)研究的紫海膽

按照《圣經》中記載的傳說，諾亞方舟可以讓諾亞與他的家人、以及世界上各種陸上生物在“末世大洪水”中幸存下來，延續生命的火種。然而，基于一項史無前例的研究得出的結論，這個計劃最終將會失敗。

這項研究闡明了在一個氣溫不斷上升、海洋酸化的世界里，哪些海洋物種可能有更強的生存能力。結果顯示，即使每個物種都能剩下雌雄兩個(甚至多個)個體，在一個氣候發生變化的星球上存活下來的機會可能也微乎其微。

美國佛蒙特大學生物學家梅麗莎·佩斯佩尼(Melissa Pespeni)領導的最新研究，檢查了數十萬海膽幼體在海水酸度適中或極低的情況下對環境的反應。

暗藏在DNA中的拯救方式

佩斯佩尼和她的團隊驚奇地發現，一小部分海膽的DNA發生了罕見的變異，這對它們的生存非常有用。這些罕見的基因變異“有點兒像在佛蒙特州零下20攝氏度的氣溫下，在50件輕便夾克外再穿上冬衣”，佩斯佩尼說：“正是這件冬衣讓海膽活了下來。”

當水的酸性大幅增加時，這些罕見的變異在海膽幼體中出現的頻率會增加。這些基因可以讓下一代海膽改變各種蛋白質功能，比如它們用來制造堅硬但容易溶解的外殼和控制細胞酸度的蛋白質。

但是要在種群中維持這些罕見的變異以及其他需要的基因變異，并允許它們對水的不同酸性水平作出反應，可能需要許多個體。這項新研究的主要作者里德·布倫南(Reid Brennan)說：“種群越大，變異就越罕見。如果我們減少種群規模，那么我們進化出有益基因變異的可能性就會大幅降低。”

換句話說，有些生物體可能會在氣候變化的世界中生存下來，因為它們能夠改變自己的生理狀態，比如流汗更多。有些物種能夠遷移。但對其他物種來說，他們唯一的希望就是進化，被隱藏在罕見DNA片段中的潛在突變可能是維系它們生存的最后一根稻草。

快速適應變化至關重要

佩斯佩尼團隊研究的紫海膽屬于野生種群，其分布范圍從美國加州的巴哈一直延伸到阿拉斯加州。這些多刺的生物生活在巖礁和海帶森林中，它們是海獺最喜歡的美食，也是潮間帶和潮下帶形成生命的關鍵物種。

科學家們指出，由于海膽數量龐大，地理分布范圍廣，生活環境也各不相同，因此它們有很高的“長期遺傳突變幾率”。這使得紫海膽很有可能在未來酸化海洋的嚴酷環境中存活下來，同時也為理解海洋生物如何適應快速變化的環境提供借鑒。

正如最近聯合國發布的生物多樣性報告所指出的那樣，全球平均氣溫上升是導致100多萬種物種瀕臨滅絕的根本原因。但重要的不只是平均氣溫的上升，生物體面臨的極限生存考驗可能是最炎熱的時刻或是酸性最強的環境。然而，正如研究人員所說的那樣：“允許快速適應極端條件的遺傳機制很少被探索。”

罕見變異觸發進化機制

佩斯佩尼團隊的研究采用了一項創新的“單代選擇”實驗，從捕獲25只野生的成年海膽開始。每只雌海膽產下大約20萬個卵子，科學家們從這些卵子中提取了生活在不同水域的大約2萬只存活幼體的DNA。

大量的紫海膽個體讓科學家們清楚地認識到，紫海膽擁有一種遺傳基因，可以幫助它們適應酸性極強的海水。布倫南說：“這種海膽在短期內可能沒有生存壓力。它們可以對環境做出反應，并擁有進化所需的基因變異。不過，前提是我們需要保護它們的棲息地，保持它們的龐大種群數量。”

但是，要克服氣候迅速變化帶來的嚴峻挑戰，可能要付出高昂的代價。佩斯佩尼表示:“進化有希望發生，這些罕見的變異能發揮如此強大的作用，這令人驚訝和興奮。這一發現對物種的長期生存具有重要意義。”