科技日報記者王祝華

海洋是生命的搖籃。根據(jù)生物進化史，哺乳動物的出現(xiàn)經(jīng)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(xiàn)兩棲乃至真正脫離水環(huán)境的羊膜動物，之后羊膜動物的一部分繼續(xù)演化，哺乳動物誕生的漫長歷程。其中從魚類走上陸地到第一個哺乳動物的出現(xiàn)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。在上岸后，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(shù)生活在淡水中。

好不容易從水里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(yīng)？日前，中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所海洋哺乳動物研究團隊聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)、青島華大基因研究院等科研機構(gòu)在《美國科學(xué)院院刊》發(fā)文，揭示了海洋哺乳動物適應(yīng)海洋環(huán)境及其趨同演化的重要遺傳機制。

物種演化受氣候和環(huán)境驅(qū)動

海洋哺乳動物是指適應(yīng)水生環(huán)境的哺乳動物，現(xiàn)存物種129個。它們是海洋中胎生哺乳、肺呼吸、恒體溫、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鱀豚。

海洋哺乳動物具有一些共同的、適應(yīng)水生環(huán)境的特征，如身體呈流線型、四肢變鰭或退化、聽覺發(fā)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(diào)節(jié)能力增強等。

根據(jù)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(huán)境適應(yīng)性演化的具體體現(xiàn)，主要受氣候及環(huán)境變化的驅(qū)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(guān)于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(fā)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(huán)境，導(dǎo)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(huán)境，一部分于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(xiàn)今的海牛。

鯨類則起源于約5550萬年前的古新世—始新世極熱事件。根據(jù)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(dǎo)致大氣溫度快速升高，驅(qū)使地球上的哺乳動物往小體型方向演化，并四處擴散尋找新的棲息地。研究發(fā)現(xiàn)，鯨類的祖先體長大約僅0.5米，它們?yōu)榱硕惚芨邷兀_始了由陸地到海洋的演化歷程。

始新世的中后期是地球溫度持續(xù)降低的一個時間段，全球氣溫持續(xù)下降的趨勢在漸新世被打斷。漸新世初期氣溫在40萬年內(nèi)急劇下降了8.2℃，齒鯨和須鯨就在這個氣溫驟降期分化了。之后，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(wěn)震蕩期。鰭足類動物的祖先就起源于這一平穩(wěn)震蕩期。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(fā)現(xiàn)，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征，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(diào)控實現(xiàn)體溫恒定

科研團隊的此次研究通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(fā)，對17個海洋哺乳動物物種進行了全基因組測序及組裝，重建了基于全基因組數(shù)據(jù)有史以來的最全面的海洋哺乳動物系統(tǒng)發(fā)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(yīng)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，并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(yīng)機制進行了全面分析和探究。

“我們發(fā)現(xiàn)，盡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(guān)的基因上卻發(fā)生了一致性改變，呈現(xiàn)趨同演化的適應(yīng)性演化機制?！痹撜撐耐ㄓ嵶髡哒f。

海水的高導(dǎo)熱性導(dǎo)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面臨的主要挑戰(zhàn)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(guān)于這個問題，科研團隊從分子層面找到了更明確的解釋?！安煌Ｑ蟛溉閯游镏刀即嬖趶漠a(chǎn)熱和散熱兩個方面的改變進行體溫調(diào)節(jié)的情況，”該論文通訊作者說，“既通過NFIA和UCP1兩組基因來調(diào)控棕色脂肪細胞的合成和利用，從而控制產(chǎn)熱的變化，又通過SMEA3E基因的改變，使得海洋哺乳動物的血管系統(tǒng)發(fā)生適應(yīng)性改變以調(diào)節(jié)熱量的散失。雙重調(diào)控最終實現(xiàn)維持體溫恒定?！?/p>

事實上，研究人員在海洋哺乳動物的基因組中發(fā)現(xiàn)的是這些基因編碼指令的潛在用途，即NFIA基因上調(diào)或下調(diào)影響間質(zhì)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(fā)達的血管系統(tǒng)有助于熱傳遞以維持體溫恒定。

多個基因發(fā)生適應(yīng)性進化

據(jù)進一步介紹，為了適應(yīng)水生環(huán)境，海洋哺乳動物的骨骼形態(tài)也發(fā)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(fā)現(xiàn)，與骨骼發(fā)育密切相關(guān)的蛋白聚糖的生物合成途徑中，兩個關(guān)鍵基因在海洋哺乳動物體內(nèi)發(fā)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(tài)的變化。

除此之外，研究還發(fā)現(xiàn)了與低氧耐受、回聲定位、深潛及視力相關(guān)基因在海洋哺乳動物中發(fā)生了分子層面的適應(yīng)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數(shù)據(jù)集，并為海洋哺乳動物的水生適應(yīng)相關(guān)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(xué)證據(jù)，為科研人員后續(xù)更深入地開展海洋哺乳動物水生環(huán)境適應(yīng)機制等研究提供了良好的數(shù)據(jù)支持。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(huán)境適應(yīng)性和物種演化的關(guān)系具有重要的意義。

然而，科研人員認為，雖然在基因?qū)用嬲业搅艘恍┳C據(jù)，但要進一步揭示海洋哺乳動物對水生環(huán)境的分子適應(yīng)機制，還需獲得更多物種高質(zhì)量的全基因組數(shù)據(jù)，以及單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、蛋白組和代謝組數(shù)據(jù)，開展大量更細致的比較分析及實驗驗證。

“此外，目前對于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?！痹撜撐耐ㄓ嵶髡哒f。

關(guān)鍵詞： 七十二變 海洋 哺乳動物 重返