知否|全球环境恶化，基因突变成为生存的救命稻草？

（原标题：Why Noah's ark won't work）

作者 | 小小

出品 | 网易科技《知否》栏目组（公众号：tech_163）

图：美国佛蒙特大学生物学家梅丽莎・佩斯佩尼(Melissa Pespeni)研究的紫海胆

按照《圣经》中记载的传说，诺亚方舟可以让诺亚与他的家人、以及世界上各种陆上生物在“末世大洪水”中幸存下来，延续生命的火种。然而，基于一项史无前例的研究得出的结论，这个计划最终将会失败。

这项研究阐明了在一个气温不断上升、海洋酸化的世界里，哪些海洋物种可能有更强的生存能力。结果显示，即使每个物种都能剩下雌雄两个（甚至多个）个体，在一个气候发生变化的星球上存活下来的机会可能也微乎其微。

美国佛蒙特大学生物学家梅丽莎・佩斯佩尼(Melissa Pespeni)领导的最新研究，检查了数十万海胆幼体在海水酸度适中或极低的情况下对环境的反应。

暗藏在DNA中的拯救方式

佩斯佩尼和她的团队惊奇地发现，一小部分海胆的DNA发生了罕见的变异，这对它们的生存非常有用。这些罕见的基因变异“有点儿像在佛蒙特州零下20摄氏度的气温下，在50件轻便夹克外再穿上冬衣”，佩斯佩尼说：“正是这件冬衣让海胆活了下来。”

当水的酸性大幅增加时，这些罕见的变异在海胆幼体中出现的频率会增加。这些基因可以让下一代海胆改变各种蛋白质功能，比如它们用来制造坚硬但容易溶解的外壳和控制细胞酸度的蛋白质。

但是要在种群中维持这些罕见的变异以及其他需要的基因变异，并允许它们对水的不同酸性水平作出反应，可能需要许多个体。这项新研究的主要作者里德・布伦南(Reid Brennan)说：“种群越大，变异就越罕见。如果我们减少种群规模，那么我们进化出有益基因变异的可能性就会大幅降低。”

换句话说，有些生物体可能会在气候变化的世界中生存下来，因为它们能够改变自己的生理状态，比如流汗更多。有些物种能够迁移。但对其他物种来说，他们唯一的希望就是进化，被隐藏在罕见DNA片段中的潜在突变可能是维系它们生存的最后一根稻草。

快速适应变化至关重要

佩斯佩尼团队研究的紫海胆属于野生种群，其分布范围从美国加州的巴哈一直延伸到阿拉斯加州。这些多刺的生物生活在岩礁和海带森林中，它们是海獭最喜欢的美食，也是潮间带和潮下带形成生命的关键物种。

科学家们指出，由于海胆数量庞大，地理分布范围广，生活环境也各不相同，因此它们有很高的“长期遗传突变几率”。这使得紫海胆很有可能在未来酸化海洋的严酷环境中存活下来，同时也为理解海洋生物如何适应快速变化的环境提供借鉴。

正如最近联合国发布的生物多样性报告所指出的那样，全球平均气温上升是导致100多万种物种濒临灭绝的根本原因。但重要的不只是平均气温的上升，生物体面临的极限生存考验可能是最炎热的时刻或是酸性最强的环境。然而，正如研究人员所说的那样：“允许快速适应极端条件的遗传机制很少被探索。”

罕见变异触发进化机制

佩斯佩尼团队的研究采用了一项创新的“单代选择”实验，从捕获25只野生的成年海胆开始。每只雌海胆产下大约20万个卵子，科学家们从这些卵子中提取了生活在不同水域的大约2万只存活幼体的DNA。

大量的紫海胆个体让科学家们清楚地认识到，紫海胆拥有一种遗传基因，可以帮助它们适应酸性极强的海水。布伦南说：“这种海胆在短期内可能没有生存压力。它们可以对环境做出反应，并拥有进化所需的基因变异。不过，前提是我们需要保护它们的栖息地，保持它们的庞大种群数量。”

但是，要克服气候迅速变化带来的严峻挑战，可能要付出高昂的代价。佩斯佩尼表示:“进化有希望发生，这些罕见的变异能发挥如此强大的作用，这令人惊讶和兴奋。这一发现对物种的长期生存具有重要意义。”

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