來源:科技日報
海洋哺乳動物“重返搖籃” 還需經過“七十二變”
海洋是生命的搖籃。根據生物進化史，哺乳動物的出現經過了從地球生命起源到遠古魚類誕生，繼而部分魚類從海洋走向陸地，開始出現兩棲乃至真正脫離水環境的羊膜動物，之後羊膜動物的一部分繼續演化，哺乳動物誕生的漫長曆程。其中從魚類走上陸地到第一個哺乳動物的出現花了大約3億年。
哺乳動物中有一類被稱為“海獸”的特殊群體——海洋哺乳動物。在上岸後，其不同支系又分別獨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，還有少數生活在淡水中。
好不容易從水裡爬上陸地的這些哺乳動物為何要“二次入水”？其由陸地重返水中要如何演化適應？日前，中國科學院深海科學與工程研究所海洋哺乳動物研究團隊聯合西北工業大學、青島華大基因研究院等科研機構在《美國科學院院刊》發文，揭示了海洋哺乳動物適應海洋環境及其趨同演化的重要遺傳機制。
物種演化受氣候和環境驅動
海洋哺乳動物是指適應水生環境的哺乳動物，現存物種129個。它們是海洋中胎生哺乳、肺呼吸、恆體溫、流線型且前肢特化為鰭狀的脊椎動物，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，如棲息在我國長江中下游的白（既下加魚）豚。
海洋哺乳動物具有一些共同的、適應水生環境的特徵，如身體呈流線型、四肢變鰭或退化、聽覺發達、嗅覺和味覺退化、體脂增厚、低氧耐受、壓力耐受和滲透壓調節能力增強等。
根據達爾文的進化論，只有適者才能生存。地球上物種的演化過程是動物對環境適應性演化的具體體現，主要受氣候及環境變化的驅動。
“海洋哺乳動物的演化史就是典型的適者生存案例。”該論文通訊作者對科技日報記者說。
關於海洋哺乳動物不同支系的神奇進化史，可以從白堊紀說起。
6500萬年前的白堊紀末期，地球史上發生了第5次生物大滅絕事件，大約75%—80%的物種滅絕了。一部分科研人員認為，是小行星對地球的撞擊改變了當時的地球環境，導致大量大型陸生動物，尤其是恐龍的滅絕。長鼻目的祖先為了躲避惡劣的陸地環境，一部分於6400萬年前進入海洋，成為水陸兩棲的哺乳動物，進而形成了現今的海牛。
鯨類則起源於約5550萬年前的古新世—始新世極熱事件。根據伯格曼法則，當時是地球板塊運動的活躍時期，地殼中大量的碳釋放到空氣中導致大氣溫度快速升高，驅使地球上的哺乳動物往小體型方向演化，並四處擴散尋找新的棲息地。研究發現，鯨類的祖先體長大約僅0.5米，它們為了躲避高溫，開始了由陸地到海洋的演化歷程。
始新世的中後期是地球溫度持續降低的一個時間段，全球氣溫持續下降的趨勢在漸新世被打斷。漸新世初期氣溫在40萬年內急劇下降了8.2℃，齒鯨和鬚鯨就在這個氣溫驟降期分化了。之後，地球進入了一段從3250萬年前至2550萬年前長達700萬年的氣溫平穩震盪期。鰭足類動物的祖先就起源於這一平穩震盪期。同時，這一時期也是大型食肉動物和哺乳動物多樣性演化的一個時期。研究發現，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物。它們雖然保留了許多陸生哺乳動物的特徵，但是主要依賴海洋生存，因此也被歸為海洋哺乳動物。
雙重調控實現體溫恆定
科研團隊的此次研究透過全基因組測序方式進行。為了最大限度地尋找到海洋哺乳動物每一類群所包含的生物共同點，他們從動物自然分類法的科級出發，對17個海洋哺乳動物物種進行了全基因組測序及組裝，重建了基於全基因組資料有史以來的最全面的海洋哺乳動物系統發生樹。
不僅如此，為分析海洋哺乳動物從陸地重返海洋的分子適應機制，科研團隊將海洋哺乳動物全基因組與其陸生—近緣物種的全基因組進行了大量比較，並進一步從基因組演化、基因演化、非編碼保守元件等多方面對海洋哺乳動物的鯨類、鰭足類、海牛類這3個主要支系，從陸地重返海洋的分子適應機制進行了全面分析和探究。
“我們發現，儘管不同支系的海洋哺乳動物具有完全不同的祖先和不同的演化歷程，但是這些動物在體溫維持、體型、低氧耐受、回聲定位、深潛及視力等相關的基因上卻發生了一致性改變，呈現趨同演化的適應性演化機制。”該論文通訊作者說。
海水的高導熱性導致動物身體熱量更容易向水中散失，這是哺乳動物由陸地重返海洋麵臨的主要挑戰之一。而海洋哺乳動物從陸地返回海洋，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？
關於這個問題，科研團隊從分子層面找到了更明確的解釋。“不同海洋哺乳動物支系都存在從產熱和散熱兩個方面的改變進行體溫調節的情況，”該論文通訊作者說，“既透過NFIA和UCP1兩組基因來調控棕色脂肪細胞的合成和利用，從而控制產熱的變化，又透過SMEA3E基因的改變，使得海洋哺乳動物的血管系統發生適應性改變以調節熱量的散失。雙重調控最終實現維持體溫恆定。”
事實上，研究人員在海洋哺乳動物的基因組中發現的是這些基因編碼指令的潛在用途，即NFIA基因上調或下調影響間質前體的細胞命運，UCP1基因的完整性影響棕色脂肪細胞正常功能，而海洋哺乳動物發達的血管系統有助於熱傳遞以維持體溫恆定。
多個基因發生適應性進化
據進一步介紹，為了適應水生環境，海洋哺乳動物的骨骼形態也發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。研究發現，與骨骼發育密切相關的蛋白聚糖的生物合成途徑中，兩個關鍵基因在海洋哺乳動物體內發生了特異性改變，這極有可能會影響到海洋哺乳動物骨骼形態的變化。
除此之外，研究還發現了與低氧耐受、回聲定位、深潛及視力相關基因在海洋哺乳動物中發生了分子層面的適應性進化。
科研團隊此次研究成果，建立了全面的海洋哺乳動物基因組資料集，併為海洋哺乳動物的水生適應相關性狀及不同海洋哺乳動物支系間趨同演化提供了更多的遺傳學證據，為科研人員後續更深入地開展海洋哺乳動物水生環境適應機制等研究提供了良好的資料支援。同時，此研究對揭示全球生物多樣性的形成及維持機制，以及探討環境適應性和物種演化的關係具有重要的意義。
然而，科研人員認為，雖然在基因層面找到了一些證據，但要進一步揭示海洋哺乳動物對水生環境的分子適應機制，還需獲得更多物種高質量的全基因組資料，以及單細胞轉錄組資料、蛋白組和代謝組資料，開展大量更細緻的比較分析及實驗驗證。
“此外，目前對於海洋哺乳動物高智商、高社會化以及長壽等特性的分子機制仍然知之甚少，進一步的研究有望在這些方面取得突破。”該論文通訊作者說。
