Science：果蝇的快速适应能力惊人

进化通常被认为是一个渐进的过程，在很长的时间尺度上展开。但宾夕法尼亚大学生物学家的新发现表明，对环境的广泛生理和基因适应可以在短短几周内发生。

　　

   

   

图:宾夕法尼亚大学保罗·施密特实验室的一名成员正在检查果园的一个围栏，这个围栏是用来研究果蝇进化的。研究小组的发现记录了动物有史以来最快的适应速度。

资料来源:Eric Sucar/宾夕法尼亚大学

你认为进化是一个缓慢渐进的过程吗?把这话告诉果蝇吧。在《科学》杂志的一份新报告中，来自宾夕法尼亚大学的研究人员通过一项对照野外实验表明，苍蝇通过改变整个基因组和一系列物理特征，迅速适应了不断变化的环境条件。

在只持续了四个月的实验过程中，研究人员记录了果蝇60%的基因组变化。通过对环境反应中迅速而持续的适应的直接观察——一种被称为适应跟踪的现象——生物学家已经为如何思考进化的时间尺度建立了一个新的范例。

“这是一个有趣的想法，但在我们展示它之前，人们认为不太可能，”保罗·施密特说，他是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的生物学教授，也是这篇论文的资深作者。

赛斯·鲁德曼(Seth Rudman)是该论文的共同主要作者，他是宾夕法尼亚大学(Penn)的博士后研究员，目前是华盛顿州立大学(Washington State University)的助理教授。他说:“让这一发现如此令人兴奋的是，我们可以实时地看到进化过程。”

有多快？

人们早就知道，短寿命和快速繁殖的果蝇会迅速进化。但究竟多快仍然是个问题，特别是多种特征是否能够在短期环境变化下持续地一起进化。

在费城地区果园的早期研究中，施密特和他的同事们发现，在生长季节开始时出现的果蝇在压力耐受力、生殖适应性甚至色素沉着方面与那些在晚秋嗡嗡叫的果蝇有很大的不同。但这项研究不能排除新的苍蝇进入种群，导致巨大转变的可能性。

为了更严格地控制他们的研究环境，该团队开发了一个实验果园，位于Pennovation Works的一块土地上，距离宾夕法尼亚大学的主校区不远。在那里，施密特的实验室成员可以在真实的环境条件下研究苍蝇——冷、热、雨等等，同时防止苍蝇进入或逃离。因此，实验结束时被关在围栏里的昆虫是研究开始时被关在围栏里的昆虫的直系后代。

检查进化

研究人员从2014年7月开始，在每10个笼子里放1000只黑腹果蝇，开始了此次调查。然后，这些果蝇被喂食同样的食物，但其他方面则由它们自己决定。在实验的高峰期，每个种群的数量都增长到了大约10万只。

每个月，研究小组从每个围栏中取出单独的苍蝇和2500个卵，分别饲养它们，然后分析它们的6种不同的生理特征，这些特征已知由多种基因控制，如繁殖成功率和耐寒性。

此外，在每个月的检查期间，研究人员从每个围栏的种群中随机选择100只苍蝇，并将它们的基因组作为一个集合组进行排序。通过这样做，他们可以获得随时间变化的等位基因频率的快照，等位基因频率是基因组中不同位置的变化。

来自物理和基因组数据的证据是明确的:果蝇在进化，适应环境，而且它们的进化速度比以前任何人测量的都要快。

“我们看到种群能够追踪环境的差异，”施密特说。“这不是对单一的、选择性的事件(如干旱)的反应。在整个实验过程中，种群不断进化和移动。”

波动的适应

因为果蝇是短命的，每次分析之间的几周时间可以转化为1到4代果蝇，或者在整个实验过程中大约10代果蝇。

尽管如此，这种适应的程度还是出乎意料的，超过60%的果蝇基因组在实验中直接或间接地进化。Schmidt和Rudman注意到，这并不意味着进化选择作用于超过一半的基因组——当其他部分在一个被称为“基因草图”的过程中发生变化时，一些DNA会被拉动。

但让这些发现特别引人注目的是，适应的方向变化了多次，就像钟摆一样随着环境条件的变化而摆动。

鲁德曼说:“想想看，一种特征可以在特定的几周内进化，然后在接下来的一个月里逆转方向，这是非常令人惊讶的。”“这描绘了一幅适应和选择是动态的图景。自然选择的方向在变化，目标在变化，而且变化得非常快。”

研究人员解释说，以前的研究很可能低估了适应的速度，因为他们只是在两个相当遥远的时间点(比如A和b)之间观察基因组的变化。这个实验旨在揭示在从A到B到C再回到B的曲折的适应过程中所发生的变化，否则这些变化是看不见的。

尽管果蝇的繁殖时间比人类短得多，但研究人员表示，他们的发现与人类等寿命更长的、再生速度更慢的物种有关。

施密特说:“我认为，这些过程在很多不同的生物体中都发生过，但它们在适当的时间尺度上很难测量。”“所以，对于果蝇来说，适应的压力可能会随着季节而来，但对于人类来说，可能是气候变化、农业、将牛奶作为食物来源的利用。这可能是一个普遍现象。现在我们的责任是确定它发生的时间范围。”

文章标题

Direct observation of adaptive tracking on ecological timescales in Drosophila