【Gene爱聊科学】气候变迁影响生物:暖化却出现更耐寒的绿变

浏览量:786 时间:2020-06-12阅读:910点赞:589

【Gene爱聊科学】气候变迁影响生物:暖化却出现更耐寒的绿变

全球大气二氧化碳浓度迅速增加,直接或间接地导致气温上升而造成极端气候,如不寻常的热浪、乾旱或暴雨。随着进一步的升温,这些气候「异常」搞不好会变成家常便饭而成「寻常」。

面对气候的快速变迁,地球上的生物能够来得及适应吗?环境适应通常被认为是一种缓慢的过程,可是极端的环境扰动,可以提供好机会,来观察天择在野外族群的效应 [1]。

生态学家已经研究了这些异常气候对生物族群的影响、物种分布的变化、群落组成的变动,以及即将到来的灭绝等等。这些极端气候有可能会造成物种的演化,可是很少被研究,因为这些事件比较罕见并且是难以预测的 [2]。

达尔文雀在大乾旱后,雀喙有了显着改变

普林斯顿大学的演化生物学家 Peter R. Grant 和 B. Rosemary Grant 夫妇在加拉巴哥群岛做了四十几年研究,观察到的达尔文雀就在大乾旱后,雀喙的大小和形状有了显着改变,成为教科书中的常客。普利兹奖作品《雀喙之谜》就是描述他们的精彩故事。

【Gene爱聊科学】气候变迁影响生物:暖化却出现更耐寒的绿变

然而只有鸟儿有案可查吗?幸运的是,在 2013 年至 2014 年冬天,美国东南部遭受到不寻常的寒流,美国伊利诺大学香槟校区的演化遗传学家 Shane C. Campbell-Staton 等人刚好在那里研究绿变色蜥。于是,他们趁机研究了蜥蜴对天寒地冻气温的反应。 Shane Campbell-Staton 在哈佛大学的 Jonathan Losos 和 Scott Edwards 实验室唸博士班时就开始研究绿变色蜥的演化 [3]。

绿变色蜥,鳞片细小且呈颗粒状,体背通常为绿色,但亦可依温度、所处环境或情绪变深或变浅,甚至变成深褐色。雄性具有一个橘红色的喉囊,示威时会展开,全长最大约 20 公分。牠们分布在美国东南部从维吉尼亚州至德州。牠们是日行性树栖蜥蜴,雄蜥领域性很强,以小型无脊椎动物为食。绿变色蜥是首个有全基因体序列的爬行动物,因此在进行遗传学研究时有特别的优势 [4]。

寒流对率变色蜥的影响

绿变色蜥的祖先几百万年前从古巴来到北美大陆,有些北方族群分布至较冷的田纳西州和俄克拉荷马州。原本在美国墨西哥湾沿岸和东南部的亚热带栖息地,过去寒冷从不曾是个问题,但因为极端气候才会有突如其来的低温寒流。

他们发现,演化在一代的蜥蜴中就发生了!极端气候事件是有可能产生形态和遗传上的快速变化的。历经寒冷之后,他们发现南部原本较不耐寒的蜥蜴展现出更好的耐寒性,他们并且利用转录体学和基因体学的方法,发现南方的倖存者的基因表现在历经寒流后,表现模式更像北方较耐寒的族群。他们也发现有几个基因体区域的变化,对于在寒冷中调节功能是重要的。这个发现发表在《科学》[5]。

来自得德州最南端的蜥蜴,在 2013 年至 2014 年冬天经历了最多天的临界最低气温,结果在下一个春天有较高的耐寒性。

是天择之后的适者生存,不是对低温的可塑性

这种转变有可能是由于对低温的可塑性反应,但他们排除了该可能性,因为在接下来的夏天,牠们还是比较耐寒。

为了研究遗传上的可能性,他们对寒流前后收集的 48 只蜥蜴的肝转录体进行了定序。原理基本上是萃取出肝脏的 RNA 用作定序,那是 DNA 转录出的基因蓝图副本,主要用作转译成有功能的蛋白质。

转录体学的方法,是去定性和定量细胞表现出的 RNA。这就像商业间谍跑到工厂里去收集工程师拷贝出来的蓝图副本有哪些,每种蓝图有几份,从而估计产品的种类和数量来推测一家企业的投资方向。

他们比较了寒流前后的基因表现后,有了两个发现:首先他们发现,有 14 个基因体区域有显着变化,尤其是南部和受影响最严重的地区的蜥蜴。另外,有三组共同表现的基因有了变化。南部地区的寒流倖存者的表现更像是北方的族群,而北方的蜥蜴本身则没有变化,大概是因为该处冬天没有特别异常。

那些表现差异的基因,有一些是参与维持突触功能和神经传递,以及与维持肌张力有关的神经传递物质。这些基因的功能与增加的耐寒性可能息息相关。

为什幺暖化会让蜥蜴更耐难?

乍看之下,增加耐寒性和全球暖化无关。然而,地球气候变化是极为複杂的。一个地区的地球物理扰动可能会在其他地区产生对比效应。例如,东部太平洋的圣婴现象变暖给秘鲁和厄瓜多尔带来暴雨,但是对巴拿马造成了乾旱。因此,全球暖化不仅更热而已,也会让一些地区的冬天变得更寒冷。

了解极端气候事件如何影响适应性潜力将变得越来越重要,因为气候变得更加波动。由于人为造成气候变化,极端天气事件的频率和幅度很可能会大幅增加。 虽然研究是利用蜥蜴进行,可是气候变迁的后果,是全球所有物种都要概括承受的,因此清楚这些事件的生物效应,对全球物种永续生存具有重要意义。

只是,我们对这个领域的研究,到底够不够到足以让我们了解全球环境变迁所造成的影响?而这些研究成果,又能促成多少政策与行动?

参考文献:

1) P. R. Grant. Evolution, climate change, and extreme events. Science 357, 451 .

2) P. R. Grant et al. Evolution caused by extreme events. Philos. Trans. R. Soc. B 372, 20160146 .

3) M. N. Bolotnikova. Extreme-weather Evolution. Harvard Magazine. August 8, 2017.

4) J. Alföldi, et al. The genome of the green anole lizard and a comparative analysis with birds and mammals. Nature 477, 587–591 .

5) S. C. Campbell-Staton et al. Winter storms drive rapid phenotypic, regulatory, and genomic shifts in the green anole lizard. Science 357, 495 .

相关文章