讀創(chuàng)/深圳商報(bào)首席記者 袁斯茹

雖為鳥(niǎo)類，卻不會(huì)飛翔；雖然是著名的南極“特產(chǎn)”，但是在非洲、南美、澳大利亞甚至赤道附近，都有它們的身影。企鵝到底是如何從天空飛向海洋，在寒冷和高溫地區(qū)都能生存的？

近日，深圳華大生命科學(xué)研究院領(lǐng)銜的一項(xiàng)研究，通過(guò)多學(xué)科聯(lián)合的方式，重建了企鵝的起源與演化過(guò)程，并以此為案例揭示了環(huán)境變化、氣候及地質(zhì)事件對(duì)生物演化的作用，還解釋了企鵝如何二次適應(yīng)海洋生態(tài)環(huán)境。研究成果于7月19日發(fā)表于《自然·通訊》。

《自然·通訊》截圖

重建企鵝演化史

目前，地球上一共生存著24種企鵝，共計(jì)6個(gè)分支，分別為王企鵝屬、阿德利企鵝屬、環(huán)企鵝屬、小藍(lán)企鵝屬、冠企鵝屬和黃眼企鵝屬。但在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，人們未能完全理解企鵝6個(gè)分支之間的關(guān)系，再加上在化石中發(fā)現(xiàn)的另外28個(gè)分支，更是增加了理順企鵝演化關(guān)系的難度。

此次研究中，團(tuán)隊(duì)收集了幾乎全部已知的74種企鵝的形態(tài)及地理數(shù)據(jù)（含化石物種），并構(gòu)建了所有24種現(xiàn)存企鵝和3種近代滅絕企鵝的高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)集，在融合了系統(tǒng)基因組學(xué)、古生物學(xué)、形態(tài)學(xué)等方法后，終于重建了企鵝的演化史。

全球現(xiàn)存的24種企鵝（含亞種、爭(zhēng)議種）和近代滅絕的3種企鵝（Theresa L. Cole等繪）

約6500萬(wàn)年前，在恐龍大滅絕后不久，企鵝的祖先在古西蘭地區(qū)（今新西蘭大陸）出現(xiàn)了。約3400萬(wàn)年前，南極冰蓋形成，這個(gè)時(shí)期也出現(xiàn)了不少巨型企鵝物種。約1400萬(wàn)年前，現(xiàn)代企鵝的共同祖先出現(xiàn)在了古南美洲。約260萬(wàn)年前，第四紀(jì)冰期到來(lái)，地球氣候發(fā)生了劇烈的變化。企鵝在這個(gè)時(shí)期發(fā)生了快速演化事件，并在較短時(shí)間內(nèi)分化出了大部分的現(xiàn)生物種。

企鵝的“基因秘訣”

如果站在時(shí)間尺度上觀察企鵝的演化，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的體型逐漸趨向小型化；喙、四肢等形態(tài)轉(zhuǎn)變得更加適合海洋環(huán)境；而物種數(shù)目因冰期事件的影響，也與溫度呈現(xiàn)了相反的變化趨勢(shì)。

“傳統(tǒng)上認(rèn)為熱帶或溫帶生物相對(duì)極地生物會(huì)有更快的演化速率。”論文共同第一作者、華大研究院周程冉博士表示，“但我們發(fā)現(xiàn)帝企鵝等高緯度企鵝，具有比低緯度企鵝顯著更快的演化速率，這表明南極極端環(huán)境給高緯度企鵝帶來(lái)了較大的壓力，而氣候波動(dòng)等環(huán)境事件則進(jìn)一步推動(dòng)了企鵝的遷徙、演化與分化，在一定程度上也促進(jìn)了高緯度物種對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)?！?/p>

據(jù)悉，本次研究找到了企鵝適應(yīng)環(huán)境的“基因秘訣”，揭示了企鵝適應(yīng)寒冷環(huán)境和在水下生活的潛在機(jī)制。

由于海水的吸收作用，光被迅速削弱，僅有少量短波長(zhǎng)光能到達(dá)水下約200m的深度。所以相比空氣，海水的透光性要差得多。因此水下視力一直是潛鳥(niǎo)面臨的大問(wèn)題。而在企鵝中，一些光敏感相關(guān)的基因生了突變，影響了光傳導(dǎo)通路，促進(jìn)了其對(duì)藍(lán)光、紫外光的識(shí)別，讓企鵝具備了暗光環(huán)境下敏銳的視覺(jué)。因此憑借多視覺(jué)基因改變的方式，企鵝獲得了更好的水下視力。

3400萬(wàn)年前的伊卡企鵝頭骨化石與現(xiàn)代的秘魯企鵝頭骨對(duì)比圖（Daniel Ksepka拍攝）

作為世界上潛游能力最強(qiáng)的鳥(niǎo)類，企鵝素有“海洋之舟”的美稱。其血紅蛋白和肌紅蛋白具有顯著區(qū)別于其它鳥(niǎo)類的保守位點(diǎn)，而這些特征能讓企鵝更高效地利用血液中的氧氣，使其自身成為“高效富氧艙”，延長(zhǎng)了潛水時(shí)間。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還在體溫調(diào)節(jié)、味覺(jué)偏好、肢體發(fā)育、骨骼生長(zhǎng)和免疫系統(tǒng)等多方面發(fā)現(xiàn)了相關(guān)的適應(yīng)性基因。這一系列重要的功能基因與企鵝形態(tài)、生理等特征的形成息息相關(guān)，也因?yàn)榄h(huán)境及其自身因素的共同作用，才塑造了今天的企鵝。

企鵝功能基因展示 （周程冉和方妙全繪，照片來(lái)自pixabay）

“在過(guò)去六千多萬(wàn)年漫長(zhǎng)的歲月里，隨著大陸的板塊運(yùn)動(dòng)和大氣二氧化碳濃度變化，企鵝歷經(jīng)了巨大的環(huán)境變化，尤其是從溫暖亞熱帶到冰雪世界的變遷。但是每次環(huán)境劇變后都有企鵝支系能脫穎而出、繁榮興盛，這代表著企鵝有極強(qiáng)的演化適應(yīng)能力?！闭撐淖髡?、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所張德興研究員補(bǔ)充道。

“通過(guò)這些數(shù)據(jù)，我們有機(jī)會(huì)全面地揭示企鵝的物種形成和滅絕過(guò)程，”論文通訊作者、浙江大學(xué)生命演化研究中心張國(guó)捷教授總結(jié)道，“這是探索生命演化和環(huán)境適應(yīng)邁出的重要的一步，也是新的開(kāi)始?！?/p>

（華大供圖）

審讀：孫世建