只有適者生存? 地球古老居民給出另一種可能
2022年03月03日 09:11 來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)

  進(jìn)化過(guò)程中只有適者生存? 地球古老居民給出另一種可能

  遺傳漂變是不同基因型個(gè)體生育的子代個(gè)體數(shù)有所變動(dòng)而導(dǎo)致的基因頻率隨機(jī)波動(dòng)。對(duì)比自然選擇,遺傳漂變是一種隨機(jī)發(fā)生的基因改變,對(duì)小種群的基因庫(kù)影響很大。例如,在一個(gè)種群中,某種基因的頻率為1%,如果這個(gè)種群有100萬(wàn)個(gè)個(gè)體,含這種基因的個(gè)體就有成千上萬(wàn)個(gè)。如果這個(gè)種群只有50個(gè)個(gè)體,那么就只有1個(gè)個(gè)體具有這種基因。

  早在幾億年前就生活在地球上的原綠球藻被認(rèn)為是海洋重要的初級(jí)生產(chǎn)者,其通過(guò)光合作用每年可固定約40億噸碳,為海洋碳匯作出重要貢獻(xiàn)。

  一直以來(lái),學(xué)界默認(rèn)原綠球藻的進(jìn)化適應(yīng)過(guò)程主要是自然選擇的結(jié)果。這一固有認(rèn)知于近期被打破。廈門(mén)大學(xué)近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(MEL)張瑤教授團(tuán)隊(duì)與香港中文大學(xué)羅海偉教授團(tuán)隊(duì)合作,歷經(jīng)4年實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在原綠球藻進(jìn)化過(guò)程中,人們所熟知的自然選擇并不如傳統(tǒng)認(rèn)知的那么重要,而一直被忽略的遺傳漂變發(fā)揮著關(guān)鍵作用。該研究成果在國(guó)際期刊《自然·生態(tài)與進(jìn)化》上刊發(fā)。

  不同環(huán)境原綠球藻擁有不同特征

  被稱為海洋初級(jí)生產(chǎn)者的原綠球藻吸收并利用陽(yáng)光中的能量,從水中分離出氧和氫,使氧氣開(kāi)始在大氣中積累,讓原本“缺氧”的地球迎來(lái)了繁榮的“大氧化”時(shí)代,為后續(xù)生物進(jìn)化的高速發(fā)展提供了重要條件。其“祖先”早在約25億年前就開(kāi)始進(jìn)化,并在許多方面改變了地球。

  在漫長(zhǎng)的歷史中,原綠球藻遵循怎樣的進(jìn)化機(jī)制?弄清這個(gè)問(wèn)題,能夠幫助人類更好理解海洋生態(tài)循環(huán),綠色利用資源。

  基因的不斷變化促成了物種進(jìn)化。目前較為普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為,物種基因改變主要?dú)w因?yàn)樽匀贿x擇,即適者生存,進(jìn)化過(guò)程中有利的個(gè)體差異和變異被保存下來(lái),而那些有害變異則被自然所淘汰。原綠球藻擁有巨大的種群數(shù)量和廣泛的海洋地理分布,多年來(lái),學(xué)界也一直默認(rèn)自然選擇在原綠球藻進(jìn)化適應(yīng)過(guò)程中極其有效。

  然而,張瑤教授團(tuán)隊(duì)最新研究發(fā)現(xiàn),原綠球藻雖分布廣泛,但不同的小生境被擁有不同代謝特點(diǎn)的孤立種群所占據(jù),各種群之間彼此孤立,不發(fā)生基因交流,種群內(nèi)部基因重組水平較低!熬拖袷巧钤诓煌貐^(qū)的人群,會(huì)為了適應(yīng)其所在的環(huán)境而擁有不同的特征!睆埇庍M(jìn)一步解釋,在原綠球藻進(jìn)化過(guò)程中,人們所熟知的自然選擇并不如傳統(tǒng)認(rèn)知的那么重要,而一直被忽略的遺傳漂變發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

  遺傳漂變是不同基因型個(gè)體生育的子代個(gè)體數(shù)有所變動(dòng)而導(dǎo)致的基因頻率隨機(jī)波動(dòng)。對(duì)比自然選擇,遺傳漂變是一種隨機(jī)發(fā)生的基因改變,對(duì)小種群的基因庫(kù)影響很大。例如,在一個(gè)種群中,某種基因的頻率為1%,如果這個(gè)種群有100萬(wàn)個(gè)個(gè)體,含這種基因的個(gè)體就有成千上萬(wàn)個(gè)。如果這個(gè)種群只有50個(gè)個(gè)體,那么就只有1個(gè)個(gè)體具有這種基因。在這種情況下,由于這個(gè)個(gè)體可能偶然死亡或沒(méi)有交配,這種基因在種群中消失的概率極大。按照固有觀點(diǎn),自然界較少有很小的種群,因此遺傳漂變可能發(fā)生的頻率很低。近年來(lái),有研究觀點(diǎn)認(rèn)為,很多種群并不是一個(gè)大群體,而是由很多個(gè)小種群組成的,彼此存在基因流的集合種群?剂窟@些小種群進(jìn)化過(guò)程時(shí),遺傳漂變則產(chǎn)生不小的作用。

  此次這項(xiàng)研究則表明,原綠球藻有效種群規(guī)模并不是學(xué)界默認(rèn)的那么大,而是小于許多典型的海洋自由生活菌,因此遺傳漂變?cè)谠G球藻進(jìn)化過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

  那么,如何對(duì)生活在海洋中、體積微小的原綠球藻進(jìn)行研究?如何認(rèn)識(shí)其有效種群規(guī)模?有效種群規(guī)模又是怎樣幫助我們了解原綠球藻進(jìn)化方式的?

  過(guò)于微小導(dǎo)致30余年前才被發(fā)現(xiàn)

  研究人員介紹,有效種群規(guī)模是認(rèn)識(shí)原綠球藻種群生態(tài)、分子和群體遺傳特征的關(guān)鍵參數(shù)。明確原綠球藻的有效種群規(guī)模,需要先進(jìn)行突變累積實(shí)驗(yàn),測(cè)得原綠球藻準(zhǔn)確的突變速率。

  該研究通過(guò)連續(xù)3年的大規(guī)模單克隆連續(xù)傳代,首次開(kāi)展了原綠球藻的基因突變累積實(shí)驗(yàn),計(jì)算出原綠球藻的有效種群規(guī)模小于許多典型的海洋自由生活菌,其原綠球藻突變速率低、有效種群規(guī)模小的特征顛覆了“原綠球藻的進(jìn)化由自然選擇主導(dǎo)”的傳統(tǒng)認(rèn)知。

  雖然已經(jīng)是在地球上居住上億年的古老居民,但因?yàn)樘,原綠球藻直到30多年前才被人類發(fā)現(xiàn)。張瑤說(shuō),“1毫升的海水里,有多達(dá)10萬(wàn)個(gè)原綠球藻,但因?yàn)樗鼘?shí)在是太小了,此前落后的設(shè)備和技術(shù)無(wú)法觀測(cè)到,導(dǎo)致人們這么晚才認(rèn)識(shí)到它”。

  因其特征,培養(yǎng)原綠球藻非常有難度,培養(yǎng)基所使用的海水、固體培養(yǎng)基的瓊脂糖濃度、培養(yǎng)時(shí)設(shè)置的光照強(qiáng)度和溫度等因素的細(xì)微變動(dòng)都可能對(duì)原綠球藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生巨大影響,甚至早期學(xué)界都認(rèn)為它不可培養(yǎng)。經(jīng)過(guò)多年的摸索,如今全世界也只有屈指可數(shù)的實(shí)驗(yàn)室能把它成功養(yǎng)活。

  為從“進(jìn)化生態(tài)學(xué)”的角度厘清海洋初級(jí)生產(chǎn)者的進(jìn)化機(jī)制,研究團(tuán)隊(duì)不斷調(diào)試實(shí)驗(yàn)參數(shù),克服原綠球藻難以在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)且生長(zhǎng)緩慢的困難,摸索出了一套穩(wěn)定的單克隆培養(yǎng)方案。這套方案從一個(gè)原綠球藻細(xì)胞開(kāi)始進(jìn)行培養(yǎng),使之不斷分裂,最終形成一個(gè)細(xì)胞群,而這一群細(xì)胞來(lái)源于一個(gè)共同的祖先細(xì)胞。

  不僅如此,原綠球藻生長(zhǎng)周期較長(zhǎng),基因突變的速率很慢,而要掌握原綠球藻在傳代中基因突變的數(shù)量,需要積累到一定量才能進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析,這使得實(shí)驗(yàn)的時(shí)長(zhǎng)跨越了4年之久。

  有些物種可能只是僥幸存活

  實(shí)驗(yàn)中,研究人員設(shè)置由一個(gè)細(xì)胞起源,隨后發(fā)展為150個(gè)獨(dú)立細(xì)胞系,每個(gè)細(xì)胞系在1065天內(nèi)各自單克隆連續(xù)傳代39次,最終有141個(gè)細(xì)胞系存活,為后期實(shí)驗(yàn)奠定數(shù)據(jù)支持。

  經(jīng)全基因組測(cè)序分析,實(shí)驗(yàn)測(cè)得原綠球藻的突變速率處于原核生物的正常水平,這表明原綠球藻并沒(méi)有因?yàn)槿笔Ф喾NDNA修復(fù)酶而獲得較快的突變速率。在測(cè)得準(zhǔn)確突變速率的基礎(chǔ)上,該研究對(duì)418個(gè)原綠球藻基因組進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锓N劃分,并計(jì)算出原綠球藻的有效種群規(guī)模小于許多典型的海洋自由生活菌。

  研究人員進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),廣泛分布的原綠球藻具有大量共存的孤立種群,不同的小生境被有不同代謝特點(diǎn)的孤立種群所占據(jù),同時(shí),這些孤立種群內(nèi)部基因重組水平較低;诖,研究提出了原綠球藻遺傳漂變加強(qiáng)的機(jī)制——周期性選擇。在低重組水平的條件下,自然選擇發(fā)揮作用時(shí)會(huì)固定包含優(yōu)勢(shì)基因的整個(gè)基因組,而淘汰不包含優(yōu)勢(shì)基因的整個(gè)基因組,從而降低原綠球藻的中性遺傳多態(tài)性和有效種群規(guī)模,強(qiáng)化其遺傳漂變的作用。該研究在傳統(tǒng)的寡營(yíng)養(yǎng)環(huán)境適應(yīng)觀點(diǎn)之外,為寡營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中優(yōu)勢(shì)類群常見(jiàn)的基因縮減現(xiàn)象,提供了一種創(chuàng)新的觀點(diǎn)和理論。

  “這個(gè)世界上有這么多的物種,它們并不一定都是自然選擇選出的佼佼者,有些物種可能只是幸運(yùn)地存活了下來(lái)而已。雖然大眾已經(jīng)普遍理解并篤信了自然選擇的作用,但我們不能因此就忽視遺傳漂變的作用!睆埇幈硎,目前獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,有的符合已有的理論,有的不符合,這是因?yàn)槔碚摬⒎钦胬,它始終處在動(dòng)態(tài)發(fā)展的過(guò)程中,需要不斷地驗(yàn)證、修正,并在不斷修正中發(fā)展。

  本報(bào)記者 符曉波 通訊員 曾文萃

編輯:王曉東