鲸目動物的基因組有助于講述哺乳動物重返水生生活的故事。
大約4億年前，所有四肢生物的祖先第一次踏上了陸地。快進到大約3.5億年前，這些早期陸栖動物的後代卻做了一個180度大轉彎：它又傳回到了水中。随着時間的推移，回歸海洋的生物，産生了與陸地上的同類截然不同的動物：它們變成了今天在海洋中滑行的宏偉的鲸魚、海豚和鼠海豚。
在大約1000萬年的時間裡，回歸水生是一個劇烈的轉變，它将從内到外改變動物。但從進化的角度來說，這隻是一眨眼的功夫。這一群動物，現在被稱為“鲸目”動物，因為強大的環境轉變而失去了後肢，幾乎掉光了所有的毛。幾十年來，它們奇異的身體結構一直困擾着古生物學家，他們推測它們可能起源于各種生物，包括海洋爬行動物、海豹、袋鼠等有袋類動物，甚至還有一群現已滅絕的狼形食肉動物。
“總體來說，鲸目動物是哺乳動物中最奇特、最反常的，”一位科學家在1945年寫道。
然後，在20世紀90年代末，基因資料證明了鲸魚和牛、豬和駱駝是同一進化系裡的一部分 —— 一個叫做偶蹄目的分支。後來，來自現代印度和巴基斯坦的化石充實了這一族譜，确定了鲸目動物最接近的古代親戚是一種小型涉水鹿類生物。
但它們的身體結構隻是鲸目動物奇怪的開始。為了在海裡生存，它們還必須進行内部改造，改變它們的血液、唾液、肺和皮膚。這些變化在化石中并不明顯，而鲸目動物也不容易在實驗室中進行研究。相反，是基因再次讓它們浮出水面。
随着鲸類動物基因組的不斷增加，遺傳學家現在可以尋找伴随着回到水中的轉變的分子變化。雖然不可能确定任何特定突變的影響，但科學家們懷疑，他們看到的許多突變，與鲸目動物在深藍色海洋中潛水和繁衍的适應性相對應。
潛入深海
第一批鲸目動物回到水中後失去的不僅僅是腿：整個基因都失去了功能。在構成基因組的大量基因字母中，這些失效的基因是最容易被檢測到的變化之一。它們就像一個混亂或碎片化的句子，不再編碼一個完整的蛋白質。
這種損失可能以兩種方式發生。也許擁有某種特定的基因對鲸目動物是有害的，是以失去這種基因的動物反而獲得了生存優勢。德國法蘭克福森肯堡研究所的基因組學家邁克爾·希勒（Michael Hiller）認為，這也可能是一種“不使用就失去”的情況。如果這個基因在水中沒有任何作用，它就會随機積累突變，即使它不再起作用，動物的情況也不會更糟。
邁克爾·希勒和他的同僚們通過比較四種鲸目動物（海豚、逆戟鲸、抹香鲸和小須鲸）的基因組，以及55種陸地哺乳動物加上一隻海牛、一隻海象和威德爾海豹的基因組，深入研究了回歸水生的轉變。該團隊在2019年的《科學進展》雜志上報告稱，當鲸目動物的祖先适應海洋時，約有85個基因失去了功能。希勒說，在許多情況下，他們可以猜到這些基因為什麼會失效。
例如，鲸目動物不再擁有一種特定的基因：SLC4A9，這與産生唾液有關。這是有道理的：當你的嘴裡已經滿是水的時候，唾液還有什麼用呢？
鲸目動物還失去了四種與褪黑激素合成和反應有關的基因，褪黑激素是一種調節睡眠的激素。鲸魚的祖先可能很快就發現，如果它們一次關閉大腦幾個小時，它們就無法浮出水面呼吸。現代鲸目動物每次睡眠隻關閉一個腦半球，另一個腦半球保持清醒。希勒說：“如果你不再像我們所知道的那樣有規律的睡眠，那麼你可能就不需要褪黑激素。”
鲸魚必須長時間屏住呼吸潛水和捕獵，這似乎也刺激了基因的變化。潛水者都知道，深潛水意味着血液中會形成氮氣氣泡，這可能對早期鲸目動物是有害的。碰巧的是，在鲸目動物體内，兩個通常有助于血液凝結的基因（F12和KLKB1）不再起作用，這大概降低了這種風險。其餘的凝血機制保持完整，是以鲸魚和海豚仍然可以封閉傷口。
另一個丢失的基因（這個基因讓科學家感到驚訝）編碼一種修複受損DNA的酶。他認為這種變化也與深潛有關。當鲸目動物浮出水面呼吸時，氧氣會突然湧入它們的血液，結果，可以分解DNA的活性氧分子也會泛濫。缺失的酶（DNA聚合酶Mu）通常會修複這類損傷，但它的修複很草率，經常會留下突變。其他的酶更精确。希勒認為，也許“DNA聚合酶Mu”太馬虎了，不适合鲸類動物的生活方式，無法處理不斷潛水和浮上來産生的大量活性氧分子。放棄不準确的酶，把修複工作留給鲸目動物也擁有的更準确的酶，可能會增加氧氣損傷被正确修複的機會。
當然，鲸目動物并不是唯一回到水中的哺乳動物，其他水生哺乳動物的基因損失通常與鲸魚和海豚相似。例如，鲸目動物和海牛都停用了一種名為“MMP12”的基因，這種基因通常會降解彈性蛋白。也許這種失活幫助兩組動物都發育出了高度彈性的肺，使它們在浮出水面時能夠快速呼氣和吸氣，大約占肺體積的90%。
然而，深海潛水的适應并不全是關于損失。一個明顯的進步是在攜帶肌紅蛋白指令的基因上，肌紅蛋白是一種向肌肉提供氧氣的蛋白質。科學家們檢測了潛水動物的肌紅蛋白基因，從小水獺一直到巨型鲸魚，發現了一個規律：在許多潛水動物體内，這種蛋白質的表面帶有更多正電荷。這将使肌紅蛋白分子像兩個北磁體一樣互相排斥。研究人員懷疑，這使得潛水哺乳動物能夠保持高濃度的肌紅蛋白，而不會使蛋白質聚集在一起，進而在潛水時保持較高濃度的肌肉氧氣。
病原體的壓力
早期的鲸目動物在開始遊泳時還面臨着另一個挑戰：數十億微小的細菌。與空氣相比，水栖環境是病毒、細菌和其他病原體的雜燴湯，它們會試圖通過鲸魚的皮膚和肺部潛入鲸魚體内。“這是一個生存環境，”鹽湖城猶他大學的進化遺傳學家内森·克拉克（Nathan Clark）說。“所有面向外部環境的東西，都更容易受到病原體的攻擊。”他認為，這些海洋細菌刺激了影響回到海洋的哺乳動物的皮膚和肺部的基因變化。
克拉克和他的同僚們在檢查鲸目動物、海牛、儒艮和鳍腳類動物（海豹、海象和海獅）的DNA時，發現了這些皮膚和肺部的變化。他們尋找在所有水生哺乳動物中，某一特定基因似乎比陸地哺乳動物中的同一基因積累DNA變化更快或更慢的情況。這種模式告訴他們，随着水生生物适應海洋，基因面臨着強大的進化壓力。
研究人員在2016年報告稱，他們在這三個不同的水生生物群體中發現了數百個顯示出這種模式的基因。在這樣的進化壓力下，基因包括編碼皮膚中蛋白質的基因，以及編碼覆寫在肺部内部的液體表面活性物質的基因。很難确切地知道這些基因變化是如何使動物的生理狀況變得更好的，但進化遺傳學家内森·克拉克的最佳猜測是，保護它們免受細菌的侵襲。
毫不奇怪，當鲸目動物回到水下時，免疫系統的基因也發生了變化。哥本哈根大學的進化生物學家安德裡亞·卡布雷拉（Andrea Cabrera）說，事實上，這是一種常見的進化模式。每次你改變環境，你必須适應病原體和微生物的新組成。卡布雷拉在《生态學、進化和系統學年度評論》上與别人合著了2021年遺傳學和鲸類進化的觀點。中國科學家甚至發現，海豚體内的一種特殊細菌傳感器，對陸地細菌的反應效率低于奶牛體内的相應蛋白質。
當内森·克拉克專門篩選鲸目動物、海牛類動物和鳍足類動物回到水中時丢失的基因時，他的頭号發現是一種名為“PON1”的基因。它所編碼的蛋白質的功能還不完全清楚，但克拉克懷疑，使其失去活性可以保護鲸類動物免受發炎的影響，因為長時間屏住呼吸會發生發炎。
當鲸目動物第一次重返海洋時，使 PON1 基因失活是件好事。但今天，一個功能性的 PON1 基因可能會派上用場。在哺乳動物中，它編碼可以降解有毒有機磷農藥的主要酶。昆蟲缺乏PON1，是以它們很容易受影響。我們人類和其他陸地哺乳動物受到一定程度的保護。克拉克說：“如果這些海洋哺乳動物失去了它，如果它們像海牛一樣在農業徑流和運河附近出沒，這可能是一個要命的問題。”
感官系統
内森·克拉克和其他科學家還觀察到，鲸類嗅覺基因和味覺基因的功能大幅減少 —— 在一項研究中，齒鲸的嗅覺基因減少了近80%。陸地哺乳動物有數百個嗅覺感受器，這些感受器使它們能夠辨識各種各樣的氣味，但這些感受器在空氣中工作，而不是在水中。（它們不同于鲨魚等魚類使用的水下感覺系統。）
據推測，鲸目動物沒有從受體中得到任何好處，是以它們失去了受體。這與解剖學上的變化相吻合。座頭鲸等長須鲸的嗅覺結構非常弱，而虎鲸等齒鲸則完全沒有。如果你把食物整個吞下去，味道似乎也就沒那麼有用了。鲸目動物不再擁有感覺酸、甜、鮮味或大多數苦味的基因。
它們并不是唯一對海鮮有如此平淡體驗的人。回到水中的其他海洋哺乳動物，甚至是非哺乳動物，也經曆了類似的基因損失。企鵝的完整嗅覺受體基因比其他水鳥要少，它們的味覺受體基因表明它們已經失去了感覺甜、苦和鮮味的能力，隻剩下酸和鹹。日本靜岡縣自然與環境曆史博物館的進化遺傳學家 Takushi Kishida 甚至發現，當海蛇扭動着回到水中時，它們也失去了幾個嗅覺受體基因。
在大海的深處不僅沒有辦法聞，而且很黑。是以，鲸目動物改變一些視覺基因也就不足為奇了。大多數哺乳動物的眼睛都有一種叫做視杆的光傳感器，用于弱光、無色的視覺，另外還有兩種視錐細胞，一種用于綠光，一種用于藍光。（人類對紅色有一個額外的錐。）随着鲸目動物的進化，杆狀傳感器的基因發生了變化，對藍光更加敏感 —— 非常适合深藍色的深海。還有幾例動物失去了一種或兩種視錐細胞。一些鲸目動物，如白鲸和逆戟鲸，仍然保留着藍色的錐體。其他的，比如抹香鲸，既沒有錐體，也沒有完全的單色視覺。
科學家們知道，他們才剛剛開始探索鲸類動物進化的基因深度。現在，有了幾十個可供研究的鲸類基因組，以及正在開發的新的分析技術，他們準備進一步探索水生動物的轉變，以及鲸類動物進化史上其他令人興奮的時刻。海豚本身就提供了大量的問題：它們是如何多樣化到這麼多種類的它們構成了當今鲸類物種的近一半。它們和其他齒鲸是如何學會回聲定位的，通過聲音在海洋中導航的？海豚的大腦是如何變得如此之大，大腦與身體的比例可以與類人猿相媲美？
科學家們表示：“大多數重要的問題，仍然沒有解決。”
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