作為全世界唯一一種能夠在水下完成生活史的蜘蛛，水蛛（Argyroneta aquatica）一直是蜘蛛“界”的明星物種，雖然它被發(fā)現(xiàn)的歷史可以追溯到蜘蛛分類最早的1757年，但它適應水下生活的機制一直是個謎。

近期，中美合作團隊選擇生活在潮間帶的潮蛛（Desis?spp.）和陸生近緣種類為對照，從形態(tài)結構、系統(tǒng)發(fā)育、比較基因組和代謝組等多個層面探討了水蛛適應水下生活的機制：水蛛適應水下生活，是多類演化策略共同作用的結果，而細菌基因的跨界融入，更是提供了意想不到的驚喜。該結果于2026年6月12日在線發(fā)表在演化生物學期刊《Molecular Biology and Evolution》上。

圖文摘要

呼吸系統(tǒng)的“水下改造”

水下生存的第一道難關，便是氧氣獲取。我們通過解剖對比發(fā)現(xiàn)，水蛛（完全水生蜘蛛）和潮蛛（半水生蜘蛛）的氣管與陸生蜘蛛相比，都出現(xiàn)了適應性改變：二者的氣管分支更密集，增大了氣體交換面積。但水蛛的氣孔（空氣進出的孔道）位置明顯前移，推測這一特征在幫助水蛛制造“潛水鐘”時能夠更高效地獲得氧氣。

而作為另一類呼吸器官的書肺僅出現(xiàn)輕微增厚，并未發(fā)生結構性的大幅改造。這也說明：蜘蛛適應水下呼吸，并非僅僅依靠器官形態(tài)的重塑，更多是分子層面的精細調(diào)控。

水蛛、潮蛛和陸生近緣種呼吸器官的形態(tài)結構和系統(tǒng)演化

兩次獨立演化：陸地蜘蛛的兩次“下水嘗試”

研究團隊聚焦褐色蜘蛛類（Marronoid clade）分支，采用基因組和轉錄組數(shù)據(jù)構建了系統(tǒng)發(fā)育樹，結果發(fā)現(xiàn)，作為完全水生的水蛛與半水生的潮蛛，雖然親緣關系較近，但它們是從不同的陸生祖先獨立演化而來，兩條演化路線互不相關。

• 水蛛：約4400萬年前與卷葉蛛科分開，徹底進入淡水環(huán)境。
• 潮蛛：約5600萬年前與陸生近緣物種分開，這一時期恰逢古新世-始新世極熱事件，全球濕地大范圍擴張，為蜘蛛進軍潮間帶創(chuàng)造了生態(tài)條件。

兩次時間、地點完全不同的“下水之旅”，造就了兩類蜘蛛不同的適應機制。

基因定向升級：兩套專屬“水下生存代碼”

比較基因組與分子演化分析進一步揭開了蜘蛛水下適應背后的基因奧秘。面對水下環(huán)境的選擇壓力，水蛛與潮蛛的關鍵功能基因走上了不同的演化道路

• 水蛛：部分負責缺氧耐受、氣管發(fā)育的基因受到強烈正向選擇，成為其長期水下生活的核心保障；
• 潮蛛：長期生活在鹽度、氧氣劇烈波動的潮間帶，因此部分有氧呼吸、能量代謝、離子跨膜轉運相關基因被強化，同時受到正向選擇與純化選擇的雙重作用，以此應對復雜多變的濱海環(huán)境。

蜘蛛從陸生轉為半水生、以及從陸生轉為完全水生過程中全基因組范圍內(nèi)非同義替換與同義替換的比率（dN/dS）所呈現(xiàn)出的變化模式

跨界“借基因”：來自細菌的生存助力

比較基因組學研究還發(fā)現(xiàn)：水蛛基因組中有60余個疑似來自細菌的基因，主要分為ABC轉運蛋白家族與酰基輔酶A脫氫酶（ACAD）家族兩大類。

這類外源基因功能十分關鍵：ABC轉運蛋白參與體內(nèi)毒素清除與物質(zhì)轉運，ACAD 基因主導脂質(zhì)代謝與能量供給。不難推測，從共生細菌中獲得的基因，為水蛛徹底適應淡水全水生生活，提供了重要的功能補充

水蛛體內(nèi)推測來源于細菌的ABC和ACAD基因的特征

代謝重編程：水蛛的缺氧“應急黑科技”

為模擬水下缺氧環(huán)境，研究團隊開展了脅迫實驗：人為封堵水蛛的氣孔，讓其在缺氧狀態(tài)下生存48小時。結合轉錄組與代謝組數(shù)據(jù)顯示，水蛛體內(nèi)糖酵解、三羧酸（TCA）循環(huán)的中間代謝物發(fā)生顯著波動；脂肪酸β-氧化通路被大幅激活，成為缺氧狀態(tài)下的主要供能方式；與此同時，谷胱甘肽等抗氧化物質(zhì)含量下降，表明長期缺氧會讓水蛛面臨氧化應激壓力。

低氧處理組（LO）與對照組（CK）的轉錄組和代謝組比較分析

這一結果表明：水蛛的水下生存，絕不是單純“憋氣”，而是依靠動態(tài)切換代謝通路，主動適配低氧環(huán)境。

從陸地來到水下，蜘蛛憑借形態(tài)微調(diào)、基因優(yōu)選、跨界基因獲取、代謝重塑等多重策略，突破了陸生生物的生存邊界。本研究不僅厘清了半水生、完全水生蜘蛛的演化脈絡與適應機制，也讓我們再次見證：生命為了存續(xù)，總能不斷突破極限，書寫出遠超想象的演化奇跡。

來源：中國科學院動物研究所

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