小型海洋动物的进化速度超过了气候变化，为长期理论的遗传机制提供了新的证据

一项针对遗传学领域一个长期存在的问题的新研究表明，一些桡足类动物——在水生食物网中占据超大位置的小型甲壳类动物——可以进化得足够快，以在快速的气候变化面前生存下来。

　　

根据一项针对遗传学领域长期存在的问题的新研究，一些桡足类动物，一种在水生食物网中占据超大位置的小型甲壳类动物，可以进化得足够快，以在快速的气候变化中生存下来。

长不到一毫米的桡足动物幼鱼(Eurytemora affinis)在世界各地的海洋沿海水域和河口中大量游动，它们大多被鲑鱼、鲱鱼和凤尾鱼等幼鱼吃掉。

“这是一种优势的沿海物种，是非常丰富和高营养的鱼食，”卡罗尔·恩米·李说，她是威斯康星大学麦迪逊分校综合生物系的教授，也是发表在《自然通讯》杂志上的一项关于桡足类动物的新研究的资深作者。“但它们很容易受到气候变化的影响。”

李解释说，海洋的盐度随着冰的融化和降水模式的改变而迅速变化:“这些桡足类动物是咸水物种，现在需要适应环境中更淡水的水。”

许多桡足类动物(以及无数其他动物)在盐水中进化。随着环境的变化，它们将不得不调整以维持身体的化学反应，否则就会死亡。

“盐度对水生栖息地是一种非常强大的环境压力，”该研究的主要作者大卫·斯特恩(David Stern)说，他曾是李所在实验室的博士后研究员，现在在国家生物防御分析与对策中心工作。

李、斯特恩和研究小组的其他成员研究了一些桡足类动物对这种压力的反应。他们在实验室里养了一群波罗的海的小甲壳类动物，这种小甲壳类动物在海水中游泳，海水的盐度和它们的栖息地一样高，并在水中繁殖了几代。

然后，研究人员将桡足类动物分成14组，每组几千只。四个对照组在波罗的海这样的环境中完成了实验。另外10组被置于盐度下降的环境中，模拟气候变化造成的压力。每一代(这只桡足动物大约三周)，它们的水都被降低到较低的盐度，共十代。

接下来，研究人员在实验开始时对每一种桡足类动物进行了基因组测序，在6代和10代之后再次进行测序，跟踪它们基因组的进化变化。自然选择最强烈的信号——在受盐度下降影响的群体中变化最大、最常见——出现在被认为对调节离子(如钠转运体)起重要作用的基因组部分。

“在盐水中，有很多离子，比如钠，对生存至关重要。但在淡水中，这些离子很珍贵，”李说。“所以，桡足类动物需要把它们从环境中吸走，并抓住它们，而做到这一点的能力依赖于这些我们在自然选择中发现的离子转运体。”

在实验的最后，研究人员发现，具有特定的离子转运体遗传组合的桡足动物在连续几代中更有可能存活下来，即使它们的水的盐度下降。事实上，在实验室盐度下降的桡足类动物身上发现的相同基因变异或等位基因，在波罗的海的较新鲜地区也很常见。

斯特恩说:“以我们拥有的编码桡足类特征的基因数量，我们不可能看到我们所做的并行量，除非有什么驱动它。”

进化实验是一种被称为“正上位性”(positive epistasis)的遗传机制的新证据，在这种机制中，一个基因变体的积极效应在与其他关键基因结合时被放大。近一个世纪前，威斯康辛大学麦迪逊分校的传奇遗传学教授休沃尔·赖特等人在与“加性进化”(additive evolution)相对的观点中倡导了这一理论。“加性进化”认为，每个单一基因的影响具有相同的权重，许多基因的影响以线性方式叠加。

斯特恩补充说:“在我们的实验条件下，对进化的计算机模拟预测，加性进化会给我们的10条线带来更大的变化。”“我们没有看到这种变化。”

由于缺乏实验工具，上位性在很大程度上没有得到检验，但现代测序和计算模拟的大量基因组数据使我们有可能展示出并行进化中积极的上位性，并描述遗传学对研究气候变化的力量。Stern, Lee和他的同事们在新的研究中表明，积极的上位性可以通过在自然选择中反复倾向于一组等位基因来驱动动物群体的平行进化。

李说:“这种桡足动物让我们知道需要什么，需要什么条件，才能使种群快速进化以应对气候变化。”“它还表明，进化对于了解我们不断变化的地球以及人口和生态系统如何甚至是否能够生存下去是多么重要。”