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大約5億年前,某些動物做出了一個改變整個星球命運的選擇:離開水,踏上陸地。
這聽起來像是一個單一的歷史事件,但發(fā)表于《自然》雜志的一項大規(guī)模基因組研究告訴我們,事情遠比這復(fù)雜得多。生命登上陸地,不是一次孤注一擲的賭博,而是在漫長的地質(zhì)時間里反復(fù)上演的進化實驗,每一次都伴隨著一套幾乎雷同的基因劇本。
這項研究由布里斯托大學(xué)的魏嘉琳與同事們聯(lián)合完成,分析了來自21個動物門的154個基因組,是迄今為止規(guī)模最大的動物登陸進化基因組學(xué)研究之一。
研究團隊做的事情,本質(zhì)上是一次跨越5億年的"基因考古"。他們比較了超過150個現(xiàn)存物種的蛋白質(zhì)編碼基因,借助動物進化樹,追蹤哪些基因在哪個演化節(jié)點上出現(xiàn)、保留或消失,由此重建出動物征服陸地的遺傳學(xué)軌跡。
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結(jié)果令人印象深刻:絕大多數(shù)的水生到陸生轉(zhuǎn)變,都伴隨著高度相似的基因得失模式。不同譜系、不同時代、相互沒有親緣關(guān)系的動物,在遷上陸地的過程中,選擇性地保留和獲得了功能相近的一批基因,同時拋棄了另一批基因。
這就是進化生物學(xué)中所謂的"趨同進化":不同的物種在面對相同的環(huán)境壓力時,獨立地演化出了相似的解決方案。就登陸而言,這個解決方案在基因?qū)用嫔巷@示出驚人的一致性。
那些在陸生動物中反復(fù)出現(xiàn)的新基因,大多與抗脫水、應(yīng)對紫外線輻射、抵御陸地污染物以及處理植物中有毒化合物有關(guān)。水里沒有這些問題,但陸地上有。
而那些在登陸過程中被削減或丟失的基因,則往往與水生環(huán)境下的再生能力、特定飲食結(jié)構(gòu)和生物鐘調(diào)節(jié)相關(guān),這些功能在陸地上要么用不上,要么需要被全新的機制取代。
研究還揭示了三次明顯的登陸浪潮:第一波發(fā)生在奧陶紀,約4.85億至4.43億年前;第二波發(fā)生在泥盆紀至石炭紀,約4.19億至2.98億年前;第三波出現(xiàn)在白堊紀,約1.45億至6600萬年前。最早登陸的是節(jié)肢動物的祖先,最晚完成這一轉(zhuǎn)變的,是我們今天在花園里隨處可見的陸生蝸牛。這三次浪潮,與早期陸生植物的興起和地質(zhì)氣候的劇烈變化高度吻合,暗示著生態(tài)機遇的出現(xiàn)是觸發(fā)登陸的關(guān)鍵外部驅(qū)動力。
趨同的背后,也藏著豐富的個性。
研究發(fā)現(xiàn),那些只是"半上岸"的動物,也就是仍然依賴潮濕土壤或水邊環(huán)境才能生存的小型無脊椎動物,比如蚯蚓,它們之間共享的適應(yīng)性基因反而更多,主要集中在血液循環(huán)和營養(yǎng)吸收等幫助它們在土壤間隙中生存的基礎(chǔ)功能上。
而那些完全擺脫了對水的依賴、能夠在干燥陸地上自由生活的動物,它們的進化路徑反而更加分散和多樣。陸生蝸牛演化出了專門負責(zé)形成貝殼和分泌黏液的獨特基因;陸生脊椎動物則發(fā)展出了更強大的先天免疫系統(tǒng),以應(yīng)對陸地上遠比水中復(fù)雜的病原體環(huán)境。
這個發(fā)現(xiàn)提示我們:越是"徹底"的環(huán)境轉(zhuǎn)變,越是需要物種走出一條屬于自己的專屬路徑。通用的進化工具包能解決普遍問題,但獨特的生態(tài)位最終需要獨特的遺傳創(chuàng)新來填充。
登陸這件事對地球本身的意義同樣深遠。隨著越來越多的生命涌上陸地,大氣中的二氧化碳濃度下降,氧氣含量上升,巖石風(fēng)化速度加快,大量礦物質(zhì)進入生態(tài)系統(tǒng),整個地球的大氣成分和水循環(huán)格局都隨之重塑。今天我們呼吸的空氣,在某種意義上,正是那場漫長的生命登陸行動留下的饋贈。
魏嘉琳在研究中寫道,如果把生命演化的歷史重新播放一遍,某些基因變化幾乎是注定要發(fā)生的,因為它們在完全不同的譜系中一次次重現(xiàn);而另一些則充滿偶然,隨著每個物種的獨特歷程而來去。進化,從來不是一條筆直的路,但它確實有自己偏愛的方向。
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