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基因組測序挑戰(zhàn)由來已久的進(jìn)化理論

日期:2016-08-26 09:17:17

 Lewis Carroll寫的《愛麗絲魔鏡之旅》(Through the Looking-Glass)這本書中,紅皇后向愛麗絲解釋說:“你必須盡力地不停奔跑,才能使你保持在原地。”用中國話說就是“逆水行舟,不進(jìn)則退”。在逆水中要保持在原來的地方,也要不停地盡力地劃。或者更形象地比喻為魚兒在急流中逆水而游,它們盡力地游才能不被水沖走,但要越過淺灘或暗礁,則要跳躍。

 

進(jìn)化生物學(xué)家Leigh Van Valen1973年借用紅皇后頗有禪意的回答提出了紅皇后假說,恰如其分地描繪了自然界中激烈的生存競爭法則:不進(jìn)即是倒退,停滯等于滅亡。種間關(guān)系的牽制作用使得物種要獲得顯著的進(jìn)化改變相當(dāng)困難,這是因?yàn)樵谏鷳B(tài)系統(tǒng)中物種的進(jìn)化是相互制約的,物種都在進(jìn)化。從短期來看,只要跟得上就能生存下去。但從長遠(yuǎn)看,一個(gè)物種要在生態(tài)系統(tǒng)中獲得有利地位就要比別的物種跑得更快。一個(gè)物種若具有較大的進(jìn)化潛力,就等于在進(jìn)化賽跑中有超常的速度與耐力。從長遠(yuǎn)來看,競爭的勝利者不是看當(dāng)前的適應(yīng),而是看能否獲得超出其他物種的進(jìn)化能力。競爭的勝利者是那些獲得超出其他物種的進(jìn)化能力的。當(dāng)前的適應(yīng)并不能保證未來的成功,具有大的進(jìn)化潛力的物種才能獲得長遠(yuǎn)的成功。

 

兔子需要奔跑來避免被狐貍獵殺,而狐貍為了避免饑餓則需要捕捉兔子。自2003年以來統(tǒng)計(jì)模型也提出了相反的紅王理論(Red King Theory)。如果兩種共生生物——即,一種生物從另一種生物的活動(dòng)受益,它們應(yīng)該以較慢的速度進(jìn)化,以免打擾它們的共生伙伴關(guān)系。這很有道理,對(duì)嗎?請?jiān)傧胂耄〗谠凇?/span>Nature Communications》發(fā)表的一項(xiàng)研究中,比較基因組學(xué)分析表明,事實(shí)上情況可能是完全相反的。點(diǎn)擊閱讀更多進(jìn)化生物學(xué)研究:PNAS破解新物種進(jìn)化的難題;Nature揭示生命進(jìn)化最重要的里程碑;Science新刊:解開蛇的長期進(jìn)化謎題。

 

來自芝加哥大學(xué)和菲爾德自然史博物館的博士生、目前是普林斯頓大學(xué)博士后的Benjamin Rubin博士指出:“我們最初想揭開螞蟻互惠行為的遺傳基礎(chǔ)。所以,我們對(duì)三個(gè)植物-螞蟻共生物種及其四個(gè)近緣的、非共生的物種進(jìn)行了基因組測序。我們驚訝的發(fā)現(xiàn),與泛化種(generalists,對(duì)食物、生境等適應(yīng)范圍寬的物種)相比,共生生物整個(gè)基因組的進(jìn)化速率更高。”

 

具體而言,處于顯著壓力下的基因,是有助于神經(jīng)發(fā)生和肌肉活動(dòng)的基因——確切地說,是你可能期望發(fā)現(xiàn)的基因。神經(jīng)源性基因與行為聯(lián)系在一起,而肌肉激活基因可能有助于螞蟻通過增加活動(dòng)和速度來保護(hù)它們的寄主植物。

 

這項(xiàng)研究與過去十年科學(xué)界支持的紅王理論,有著驚人的反差。然而,自2003年以來,在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多進(jìn)展。曾經(jīng),全基因組測序需要科學(xué)家花費(fèi)幾年的時(shí)間來完成,但是現(xiàn)在,這個(gè)過程可以在幾天內(nèi)由兩三個(gè)研究人員完成。這些進(jìn)步使得科學(xué)家們重新審視這樣的理論,并提供證據(jù)支持或反駁他們的原始結(jié)論。

 

那么,為什么共生生物與它們的泛化種相比,有著更高的進(jìn)化速率呢?盡管這個(gè)問題值得進(jìn)一步研究,但是菲爾德博物館館長和Corrie Moreau教授得出一個(gè)初步的解釋:“就像所有的生物一樣,共生生物需要不斷適應(yīng)環(huán)境,才能確保生存。然而,它們也有一個(gè)額外的任務(wù),即在這種相互關(guān)系中進(jìn)化。隨著時(shí)間的推移,許多物種在共生、寄生之間切換。即使共生是一種代價(jià)很高的關(guān)系,如果它不再是有利的,進(jìn)化也會(huì)選擇反對(duì)它。所有這些可能的因素,都會(huì)加速這些物種之間的進(jìn)化速度。”

 

然而,關(guān)于DNA和基因組進(jìn)化仍然有許多的問題。有助于增加共生生物之間進(jìn)化速率的所有因素是什么?在其他共生關(guān)系中的遺傳適應(yīng)性看起來像什么?雖然我們還沒有所有的答案,但是這項(xiàng)研究提供了一個(gè)重要的框架,開始一個(gè)新的疑問線索。

 

然而,明確的一點(diǎn)是,這項(xiàng)研究已經(jīng)在科學(xué)的棋盤上移動(dòng)了一塊棋子,盯著紅王理論,并自信地宣稱:“將死!”

 


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