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在地球生物数十亿年来精彩纷呈的演化故事中，无处不在的突变持续推动着复杂性状的不断创新，造就了如今丰富的生物多样性。通常来说，演化都是一个个微小的性状改变逐渐积累的结果，但这件事也有例外——在极罕见的情况下，仅仅一个全新的复杂性状，也可以对生物演化造成决定性的影响。一个典型的例子就是鸟类翅膀的出现。皮肤、前肢的生物学特征演变为能够飞行的新结构，让这些动物占领了天空。同样，生殖方式从卵生向胎生的转变，也为哺乳动物丰富的多样性奠定了基础……在这些案例里，这些复杂性状的诞生赋予了生物颠覆性的全新能力。但这些创新性的复杂性状，起源究竟是什么？是多个突变协同作用形成的功能，还是一次飞跃式演化的结果？这些看似基础的问题，自达尔文时期起就困扰着全球学者，直到今天在很大程度上仍是一个谜。近日，《科学》杂志的背靠背论文给出了答案。两项研究分别通过对动物与植物物种的研究，揭示了创新性复杂性状的来源。“在多样性的演化中，关于微小变化的逐步积累与巨大飞跃谁更重要的争论一直存在，”同期的观点文章写道，“这两项研究没有找到能够使物种产生性状创新的单一重大演化步骤，或是影响巨大的突变。”前文提到的问题之所以难解，一个重要挑战是站在演化的角度上，这些演化过程往往都太过遥远，而且很难想象其中的中间阶段。而在其中一项最新研究中，来自欧洲多个国家的联合研究团队通过一种极为合适的研究对象——一种名为Littorina saxatilis的滨螺，揭示了胎生这种复杂性状的遗传基础。▲向胎生的转变使得这种滨螺能够适应更广的生存范围（图片来源：Fredrik Pleijel）我们知道，绝大多数的哺乳动物都采用胎生的方式孕育后代。事实上，胎生并不是哺乳动物的专利，而是在众多不同的动物类型中独立演化的结果。在过去10万年间，这种滨螺就完成了从卵生到胎生的转变。尽管看似漫长，但在生物演化的角度上，10万年只是一眨眼的功夫。因此，这些滨螺为解释胎生的遗传机制提供了独特的机遇。通过全基因组测序，研究团队比较了产卵与胎生滨螺的基因表达模式，从中识别出了50个与生殖方式高度相关的基因组区域，以及它们起源的时间。这些区域有着不同的演化历史，它们逐步发生并扩散，共同决定了个体的生殖方式。这项研究结果表明，新的生物学功能可以通过招募多个等位基因来实现，而不是在单一的演化步骤中出现。在同期的另一项研究中，来自英国多所高校的研究团队借助两种猪笼草（Nepenthes gracilis和Nepenthes pervillei），研究了它们用于诱捕动物的“跳板”特征的演化。这种特殊的复合诱捕机制包含了结构、化学与机械这3个不同维度的创新：如下图所示，当雨滴落在装置水平的盖子上，就会将蚂蚁等昆虫弹进下方表面为蜡质的容器里，将昆虫困住。▲雨滴触发猪笼草诱捕机制的过程（视频来源：Ulrike Bauer）研究团队发现，尽管这个诱捕机制在两个猪笼草物种中均存在，但它们是各自独立演化而来的。进一步的模型研究显示，这种创新性复杂性状的反复出现，是一系列性状组成部分“自发偶然”组合的结果，而不是对性状组分的直接选择。▲蚂蚁在N. pervillei的诱捕装置上活动（图片来源：Ulrike Bauer）由此，研究再次强调了随机性状变化对于推动演化创新的重要意义。参与第一项研究的Roger Butlin教授表示：“研究结果将改变生物学家看待重大演化转变的方式，将焦点从演化的巨大飞跃转移到理解小型演化步骤的渐进式收益。这些发现还将帮助理解其他适应性性状的遗传基础，在很多生物被迫快速适应不断变化的世界的过程中，这一点显得极其重要。”[1] Sean Stankowski et al, The genetic basis of a recent transition to live-bearing in marine snails, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adi2982[2] Guillaume Chomicki et al., Convergence in carnivorous pitcher plants reveals a mechanism for composite trait evolution. Science (2024). DOI: 10.1126/science.ade0529[3] Kathryn R. Elmer et al, Evolutionary paths to new phenotypes, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adm9239
[4] The snail or the egg? Retrieved Jan. 4, 2024 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1029934本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系[email protected]。
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