大量DNA數(shù)據(jù)顯示，雀鱔確實(shí)是“活化石”

1859年，查爾斯·達(dá)爾文創(chuàng)造了“活化石”這個(gè)詞，用來(lái)描述數(shù)千萬(wàn)年來(lái)看起來(lái)都一樣的譜系，比如腔棘魚、鱘魚和馬蹄蟹。這個(gè)詞吸引了大眾的想象力，但科學(xué)家們一直在努力弄清楚，這些物種是與它們很久以前的祖先相似，還是在千萬(wàn)年的時(shí)間里真正進(jìn)化得很少。

現(xiàn)在，在今天發(fā)表在《Evolution》雜志上的一項(xiàng)研究中，研究人員證實(shí)，在一些(但不是全部)活化石中，進(jìn)化實(shí)際上處于停滯狀態(tài)。最引人注目的例子是一種叫做gar（雀鱔）的史前魚類，它的分子進(jìn)化速度是所有有頜脊椎動(dòng)物中最慢的。該團(tuán)隊(duì)還提出了一種機(jī)制來(lái)解釋gar的永恒性:**的DNA修復(fù)機(jī)制。這種修復(fù)很可能保持了gar基因組的穩(wěn)定，以至于最后一個(gè)共同祖先生活在1億多年前的物種甚至屬幾乎沒有分化，有些物種今天仍然可以雜交產(chǎn)生可存活的后代。

“這太神奇了，”沒有參與這項(xiàng)研究的羅格斯大學(xué)進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)家Tetsuya Nakamura也說。“這篇論文對(duì)什么是活化石這個(gè)問題做了很多有趣的研究，但當(dāng)我讀到這篇文章時(shí)，我很震驚。”

為了了解幾種假定的活化石是否比其他脊椎動(dòng)物進(jìn)化得更慢，研究小組收集了478個(gè)物種的1100多個(gè)外顯子(基因組的編碼區(qū)域)的公開序列。利用每個(gè)族群現(xiàn)有的家譜，他們創(chuàng)造了一個(gè)巨大的進(jìn)化樹。對(duì)于每個(gè)譜系，研究人員估計(jì)了所研究的外顯子中每個(gè)DNA堿基隨時(shí)間變化的速率——即所謂的替代率。

令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)并不是所有的活化石都停止了進(jìn)化。腔棘魚、象鯊和一種叫做hoatzn的鳥都被認(rèn)為是古老的，它們的突變率比預(yù)期的要快，每個(gè)位點(diǎn)每百萬(wàn)年大約有0.0005個(gè)突變，盡管這仍然比兩棲動(dòng)物(每百萬(wàn)年0.007個(gè)突變)和胎盤哺乳動(dòng)物(每百萬(wàn)年0.02個(gè)突變)的平均速度要慢。這一發(fā)現(xiàn)支持了這樣一種觀點(diǎn)，即一些仍然與它們的古代祖先相似的物種在分子水平上發(fā)生了變化。

但是，長(zhǎng)著長(zhǎng)長(zhǎng)的、有牙齒的鼻子的淡水魚魚卻不同:在幾乎每個(gè)外顯子中，魚的分子取代率是最慢的，通常是幾個(gè)數(shù)量級(jí)，平均每百萬(wàn)年每個(gè)位點(diǎn)只有0.00009個(gè)突變。事實(shí)上，大約2000萬(wàn)年前分化的兩個(gè)屬在幾乎所有分析的位點(diǎn)上都有相同的序列——研究小組最初將這一發(fā)現(xiàn)歸因于測(cè)序錯(cuò)誤。“我進(jìn)入這個(gè)項(xiàng)目時(shí)對(duì)使用活化石這個(gè)詞持謹(jǐn)慎態(tài)度，”研究報(bào)告的合著者、耶魯大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)博士生Chase Brownstein說。“但至少對(duì)孩子們來(lái)說，這是一個(gè)合適的術(shù)語(yǔ)。”

作者認(rèn)為，由于基因的替代率在各個(gè)位點(diǎn)上似乎一直很低——包括在不太可能受到選擇壓力的基因組區(qū)域——這可能是一種推動(dòng)緩慢替代的全球機(jī)制。他們認(rèn)為，在DNA發(fā)生突變或損傷后，蜥蜴在修復(fù)DNA方面非常有效，即使在它們周圍的大陸發(fā)生了變化，它們也不會(huì)進(jìn)化。此前，其他研究人員也對(duì)鱘魚提出了類似的假設(shè)，在研究中，鱘魚的替代率在脊椎動(dòng)物中排名第二。

倫敦大學(xué)學(xué)院的進(jìn)化基因組學(xué)家Elise Parey說，DNA修復(fù)是“一個(gè)合理的假設(shè)，但可能不止一個(gè)解釋”。例如，專家們指出，gar的代謝率較慢，繁殖時(shí)間較長(zhǎng)，這些特征可能會(huì)降低突變率。gar還保留了染色體中DNA的排列，并抑制了所謂的跳躍基因的影響。跳躍基因在基因組中從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方時(shí)，會(huì)導(dǎo)致基因重組。“這不僅適用于序列變化，也適用于染色體進(jìn)化，這將是一個(gè)有趣的探索途徑，”Parey說。

為了驗(yàn)證他們的發(fā)現(xiàn)，作者對(duì)俄克拉何馬州和德克薩斯州河流中可能是自然雜交的不尋常gar的報(bào)道進(jìn)行了跟蹤調(diào)查。他們分析了幾十條這種魚的組織樣本，以追蹤它們的祖先，發(fā)現(xiàn)兩種黃鱔屬——atractosteus和lepisosteus——正在雜交，產(chǎn)生可生育的雜交后代。這些群體最后一次擁有共同的祖先大約是在1.05億年前，這使得它們的分裂成為能夠產(chǎn)生可存活后代的真核生物中最古老的分裂。它們比之前的紀(jì)錄保持者——兩種蕨類植物——早了大約6000萬(wàn)年。(頭腦敏銳的人可能會(huì)想起白鱘和鱘魚的雜交品種——sturddlefish，它們?cè)诟缫郧熬头只鰜?lái)了，但那些偶然的雜交品種很可能是不育的，不會(huì)自然發(fā)生。)

下一步將是證明gar的DNA修復(fù)機(jī)制確實(shí)導(dǎo)致了它們?nèi)狈蜃兓Ｍㄟ^給斑馬魚(一種標(biāo)準(zhǔn)模型動(dòng)物)植入gar DNA修復(fù)基因，研究人員或許能夠在實(shí)驗(yàn)室中觀察這些基因的工作情況。Nakamura說:“這將是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)?/span>(DNA修復(fù)基因)是基本的，”對(duì)它們進(jìn)行修補(bǔ)可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的后果。

但作者表示，了解gar是如何保持如此低的突變率的，可能會(huì)帶來(lái)比在分子水平上理解活化石更大的回報(bào)。它還可能幫助人類更好地了解我們自己的DNA修復(fù)途徑，當(dāng)它們失敗時(shí)可能導(dǎo)致癌癥。

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