南极和赤道都能生存华大参与揭示企鹅的“基因秘密”

虽为鸟类,却不会飞翔;虽然是著名的南极“特产”,但是在非洲、南美、澳大利亚甚至赤道附近,都有它们的身影。企鹅到底是如何从天空飞向海洋,在寒冷和高温地区都能生存的?

近日,深圳华大生命科学研究院领衔的一项研究,通过多学科联合的方式,重建了企鹅的起源与演化过程,并以此为案例揭示了环境变化、气候及地质事件对生物演化的作用,还解释了企鹅如何二次适应海洋生态环境。研究成果于7月19日发表于《自然·通讯》。

目前,地球上一共生存着24种企鹅,共计6个分支,分别为王企鹅属、阿德利企鹅属、环企鹅属、小蓝企鹅属、冠企鹅属和黄眼企鹅属。但在过去相当长的时间里,人们未能完全理解企鹅6个分支之间的关系,再加上在化石中发现的另外28个分支,更是增加了理顺企鹅演化关系的难度。

此次研究中,团队收集了几乎全部已知的74种企鹅的形态及地理数据(含化石物种),并构建了所有24种现存企鹅和3种近代灭绝企鹅的高质量基因组数据集,在融合了系统基因组学、古生物学、形态学等方法后,终于重建了企鹅的演化史。

约6500万年前,在恐龙大灭绝后不久,企鹅的祖先在古西兰地区(今新西兰大陆)出现了。约3400万年前,南极冰盖形成,这个时期也出现了不少巨型企鹅物种。约1400万年前,现代企鹅的共同祖先出现在了古南美洲。约260万年前,第四纪冰期到来,地球气候发生了剧烈的变化。企鹅在这个时期发生了快速演化事件,并在较短时间内分化出了大部分的现生物种。

如果站在时间尺度上观察企鹅的演化,会发现它们的体型逐渐趋向小型化;喙、四肢等形态转变得更加适合海洋环境;而物种数目因冰期事件的影响,也与温度呈现了相反的变化趋势。

“传统上认为热带或温带生物相对极地生物会有更快的演化速率。”论文共同第一作者、华大研究院周程冉博士表示,“但我们发现帝企鹅等高纬度企鹅,具有比低纬度企鹅显著更快的演化速率,这表明南极极端环境给高纬度企鹅带来了较大的压力,而气候波动等环境事件则进一步推动了企鹅的迁徙、演化与分化,在一定程度上也促进了高纬度物种对极端环境的适应。”

据悉,本次研究找到了企鹅适应环境的“基因秘诀”,揭示了企鹅适应寒冷环境和在水下生活的潜在机制。

由于海水的吸收作用,光被迅速削弱,仅有少量短波长光能到达水下约200m的深度。所以相比空气,海水的透光性要差得多。因此水下视力一直是潜鸟面临的大问题。而在企鹅中,一些光敏感相关的基因生了突变,影响了光传导通路,促进了其对蓝光、紫外光的识别,让企鹅具备了暗光环境下敏锐的视觉。因此凭借多视觉基因改变的方式,企鹅获得了更好的水下视力。

作为世界上潜游能力最强的鸟类,企鹅素有“海洋之舟”的美称。其血红蛋白和肌红蛋白具有显著区别于其它鸟类的保守位点,而这些特征能让企鹅更高效地利用血液中的氧气,使其自身成为“高效富氧舱”,延长了潜水时间。

此外,研究团队还在体温调节、味觉偏好、肢体发育、骨骼生长和免疫系统等多方面发现了相关的适应性基因。这一系列重要的功能基因与企鹅形态、生理等特征的形成息息相关,也因为环境及其自身因素的共同作用,才塑造了今天的企鹅。

“在过去六千多万年漫长的岁月里,随着大陆的板块运动和大气二氧化碳浓度变化,企鹅历经了巨大的环境变化,尤其是从温暖亚热带到冰雪世界的变迁。但是每次环境剧变后都有企鹅支系能脱颖而出、繁荣兴盛,这代表着企鹅有极强的演化适应能力。”论文作者、中国科学院动物研究所张德兴研究员补充道。

“通过这些数据,我们有机会全面地揭示企鹅的物种形成和灭绝过程,”论文通讯作者、浙江大学生命演化研究中心张国捷教授总结道,“这是探索生命演化和环境适应迈出的重要的一步,也是新的开始。”(读创/深圳商报首席记者 袁斯茹)

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