大海是生命的搖籃。根據生物進化史，哺乳動物的出現從地球上生命的起源到古代魚類的誕生，再到一些魚類從海洋到陸地，開始出現兩栖動物甚至真正脫離羊膜穿刺術的水環境，之後部分羊膜動物不斷進化， 哺乳動物的誕生過程很長。從魚上岸到第一種哺乳動物，花了大約3億年的時間。
在哺乳動物中，有一個特殊的群體被稱為"海獸" - 海洋哺乳動物。登陸後，不同的分支通過陸地獨立傳回海洋，依靠海洋資源生存或完全生活在海洋中，少數生活在淡水中。
為什麼這些不容易從水中爬到陸地的哺乳動物會"次生入水"？它是如何從陸地重新進入水中演變和适應的？近日，中國科學院深海科學工程研究所海洋哺乳動物研究組會同西北工業大學、青島華大遺傳研究所等科研院校在《國家科學院院刊》上發表文章，揭示了海洋哺乳動物适應海洋環境的重要遺傳機制及其收斂進化。
物種進化是由氣候和環境驅動的
海洋哺乳動物是适應水生環境的哺乳動物，現有有129種。它們是海洋母乳喂養，肺呼吸，體溫恒定，前肢特别有鳍的流線型脊椎動物，包括鲸目動物，鳍足，海牛，北極熊和海獺，以及少量生活在淡水中的白鼠海豚，例如栖息在長江中下遊的蟒蛇。
海洋哺乳動物具有一些适應水生環境的共同特征，如身體流線型、鳍狀變化或四肢退化、聽覺發達、嗅覺和味覺變差、體脂增厚、耐氧性低、耐壓性提高和透氣壓力調節等。
根據達爾文的進化論，隻有适者才能生存。地球上物種的進化過程是動物對環境的适應性進化的具體展現，主要是由氣候和環境變化驅動的。
"海洋哺乳動物的進化史是适者生存的經典案例。該報的作者告訴《科技日報》。
海洋哺乳動物不同分支的神奇進化史可以說從白垩紀時期開始。
在6500萬年前的白垩紀末期，發生了地球曆史上的第五次大規模滅絕事件，大約75%至80%的物種滅絕。有研究者認為，正是小行星撞擊地球，改變了當時的地球環境，導緻大量大型陸地動物，尤其是恐龍滅絕。長鼻子的祖先，為了逃離惡劣的陸地環境，有的在6400萬年前進入海洋，成為兩栖哺乳動物，進而形成了今天的海牛。
鲸魚起源于大約5550萬年前的新新新世-新極端高溫事件。根據伯格曼定律，這是地球上闆塊運動的活躍時期，當時來自地殼的大量碳被釋放到空氣中，導緻大氣迅速上升，驅使地球上的哺乳動物進化到小尺寸并四處傳播以尋找新的栖息地。研究發現，隻有0.5米長的鲸目動物的祖先開始從陸地進化到海洋以逃避熱量。
更新世中後期是地球溫度持續下降的時期，全球氣溫持續下降的趨勢在更新世被打斷。在40萬年前期，氣溫驟降了8.2攝氏度，在這段突然下降的時期，齒鲸和小須鲸分化了。從那時起，地球進入了從3250萬年前到700萬年前溫度波動穩定的時期。鳍足動物的祖先起源于這個穩定的休克時期。同時，這一時期也是大型捕食者和哺乳動物多樣性進化的時期。研究發現，北極熊和海獺進化的速度較慢，僅在大約50萬至100萬年前分化，是最年輕的海洋哺乳動物。雖然它們保留了許多陸生哺乳動物的特征，但它們主要依靠海洋生存，是以被歸類為海洋哺乳動物。
雙重調節實作恒定體溫
該團隊的研究是通過全基因組測序進行的。為了最大限度地尋找每組海洋哺乳動物的生物學共性，他們根據動物的自然分類，對17種海洋哺乳動物物種進行全基因組測序群組裝，并根據全基因組資料重建了有史以來最全面的海洋哺乳動物系統發生樹。
不僅如此，為了分析海洋哺乳動物從陸地到海洋的分子适應機制，研究小組将海洋哺乳動物的全基因組與其陸地近處物種的全基因組進行了比較，并進一步分析和探索了鲸目動物、鳍足類和海牛的分子适應機制，它們是海洋哺乳動物的三個主要分支。 從陸地到海洋。
"我們發現，盡管不同品系的海洋哺乳動物具有完全不同的祖先和不同的進化過程，但這些動物在與體溫維持，體型，缺氧耐受性，回聲定位，深潛和視覺相關的基因發生了一緻的變化，顯示出趨同和進化的适應性進化機制。該論文的作者說。
海水的高導熱性使動物更容易将體熱流失到水中，這是哺乳動物從陸地傳回海洋時面臨的主要挑戰之一。另一方面，海洋哺乳動物從陸地傳回海洋，但與在陸地上一樣保持，保持令人驚訝的體溫控制。他們是怎麼做到的？
在這個問題上，研究小組在分子水準上找到了更清晰的解釋。"不同的海洋哺乳動物菌株具有受熱産生和冷卻變化的溫度調節條件，"該論文的作者說。雙重調節最終實作恒定的體溫。"
事實上，研究人員在海洋哺乳動物的基因組中發現的是這些基因編碼指令的潛在用途，即影響間質前體命運的NFIA基因起伏，UCP1基因的完整性影響棕色脂肪細胞的正常功能，以及海洋哺乳動物發達的血管系統有助于傳熱以維持恒定的體溫。
适應性進化發生在多個基因中
此外，為了适應水生環境，海洋哺乳動物的骨骼形狀也經曆了不同程度的變化，如前肢變成鳍狀，身體呈流線型或紡錘形。研究發現，蛋白質多糖生物合成途徑中與骨骼發育密切相關的兩個關鍵基因在海洋哺乳動物中具有特異性變化，這很可能影響海洋哺乳動物骨骼形态的變化。
此外，該研究發現，與缺氧耐受性，回聲定位，深潛和視覺相關的基因在海洋哺乳動物的分子水準上進化。
研究團隊的研究成果建立了全面的海洋哺乳動物基因組資料集，為海洋哺乳動物水生适應相關性和不同海洋哺乳動物分支的趨同與進化提供了更多的遺傳證據，為研究人員進一步開展海洋哺乳動物水生環境适應機制研究提供了良好的資料支援。同時，本研究對于揭示全球生物多樣性形成與維持的機理，探索環境适應性與物種進化的關系具有重要意義。
然而，研究人員認為，雖然在遺傳水準上已經發現了一些證據，但進一步揭示海洋哺乳動物對水生環境的分子适應機制将需要更多關于物種的高品質全基因組資料，以及單細胞轉錄組資料，蛋白質組學和代謝組資料，以及大量更詳細的比較分析和實驗驗證。
"此外，人們對具有高智商，高社會化和長壽等特征的海洋哺乳動物的分子機制知之甚少，預計進一步的研究将導緻這些領域的突破。該論文的作者說。
王竹華
來源：科學日報