大海是生命的摇篮。根据生物进化史，哺乳动物的出现从地球上生命的起源到古代鱼类的诞生，再到一些鱼类从海洋到陆地，开始出现两栖动物甚至真正脱离羊膜穿刺术的水环境，之后部分羊膜动物不断进化， 哺乳动物的诞生过程很长。从鱼上岸到第一种哺乳动物，花了大约3亿年的时间。
在哺乳动物中，有一个特殊的群体被称为"海兽" - 海洋哺乳动物。登陆后，不同的分支通过陆地独立返回海洋，依靠海洋资源生存或完全生活在海洋中，少数生活在淡水中。
为什么这些不容易从水中爬到陆地的哺乳动物会"次生入水"？它是如何从陆地重新进入水中演变和适应的？近日，中国科学院深海科学工程研究所海洋哺乳动物研究组会同西北工业大学、青岛华大遗传研究所等科研院校在《国家科学院院刊》上发表文章，揭示了海洋哺乳动物适应海洋环境的重要遗传机制及其收敛进化。
物种进化是由气候和环境驱动的
海洋哺乳动物是适应水生环境的哺乳动物，现有有129种。它们是海洋母乳喂养，肺呼吸，体温恒定，前肢特别有鳍的流线型脊椎动物，包括鲸目动物，鳍足，海牛，北极熊和海獭，以及少量生活在淡水中的白鼠海豚，例如栖息在长江中下游的蟒蛇。
海洋哺乳动物具有一些适应水生环境的共同特征，如身体流线型、鳍状变化或四肢退化、听觉发达、嗅觉和味觉变差、体脂增厚、耐氧性低、耐压性提高和透气压力调节等。
根据达尔文的进化论，只有适者才能生存。地球上物种的进化过程是动物对环境的适应性进化的具体体现，主要是由气候和环境变化驱动的。
"海洋哺乳动物的进化史是适者生存的经典案例。该报的作者告诉《科技日报》。
海洋哺乳动物不同分支的神奇进化史可以说从白垩纪时期开始。
在6500万年前的白垩纪末期，发生了地球历史上的第五次大规模灭绝事件，大约75%至80%的物种灭绝。有研究者认为，正是小行星撞击地球，改变了当时的地球环境，导致大量大型陆地动物，尤其是恐龙灭绝。长鼻子的祖先，为了逃离恶劣的陆地环境，有的在6400万年前进入海洋，成为两栖哺乳动物，从而形成了今天的海牛。
鲸鱼起源于大约5550万年前的新新新世-新极端高温事件。根据伯格曼定律，这是地球上板块运动的活跃时期，当时来自地壳的大量碳被释放到空气中，导致大气迅速上升，驱使地球上的哺乳动物进化到小尺寸并四处传播以寻找新的栖息地。研究发现，只有0.5米长的鲸目动物的祖先开始从陆地进化到海洋以逃避热量。
更新世中后期是地球温度持续下降的时期，全球气温持续下降的趋势在更新世被打断。在40万年前期，气温骤降了8.2摄氏度，在这段突然下降的时期，齿鲸和小须鲸分化了。从那时起，地球进入了从3250万年前到700万年前温度波动稳定的时期。鳍足动物的祖先起源于这个稳定的休克时期。同时，这一时期也是大型捕食者和哺乳动物多样性进化的时期。研究发现，北极熊和海獭进化的速度较慢，仅在大约50万至100万年前分化，是最年轻的海洋哺乳动物。虽然它们保留了许多陆生哺乳动物的特征，但它们主要依靠海洋生存，因此被归类为海洋哺乳动物。
双重调节实现恒定体温
该团队的研究是通过全基因组测序进行的。为了最大限度地寻找每组海洋哺乳动物的生物学共性，他们根据动物的自然分类，对17种海洋哺乳动物物种进行全基因组测序和组装，并根据全基因组数据重建了有史以来最全面的海洋哺乳动物系统发生树。
不仅如此，为了分析海洋哺乳动物从陆地到海洋的分子适应机制，研究小组将海洋哺乳动物的全基因组与其陆地近处物种的全基因组进行了比较，并进一步分析和探索了鲸目动物、鳍足类和海牛的分子适应机制，它们是海洋哺乳动物的三个主要分支。 从陆地到海洋。
"我们发现，尽管不同品系的海洋哺乳动物具有完全不同的祖先和不同的进化过程，但这些动物在与体温维持，体型，缺氧耐受性，回声定位，深潜和视觉相关的基因发生了一致的变化，显示出趋同和进化的适应性进化机制。该论文的作者说。
海水的高导热性使动物更容易将体热流失到水中，这是哺乳动物从陆地返回海洋时面临的主要挑战之一。另一方面，海洋哺乳动物从陆地返回海洋，但与在陆地上一样保持，保持令人惊讶的体温控制。他们是怎么做到的？
在这个问题上，研究小组在分子水平上找到了更清晰的解释。"不同的海洋哺乳动物菌株具有受热产生和冷却变化的温度调节条件，"该论文的作者说。双重调节最终实现恒定的体温。"
事实上，研究人员在海洋哺乳动物的基因组中发现的是这些基因编码指令的潜在用途，即影响间质前体命运的NFIA基因起伏，UCP1基因的完整性影响棕色脂肪细胞的正常功能，以及海洋哺乳动物发达的血管系统有助于传热以维持恒定的体温。
适应性进化发生在多个基因中
此外，为了适应水生环境，海洋哺乳动物的骨骼形状也经历了不同程度的变化，如前肢变成鳍状，身体呈流线型或纺锤形。研究发现，蛋白质多糖生物合成途径中与骨骼发育密切相关的两个关键基因在海洋哺乳动物中具有特异性变化，这很可能影响海洋哺乳动物骨骼形态的变化。
此外，该研究发现，与缺氧耐受性，回声定位，深潜和视觉相关的基因在海洋哺乳动物的分子水平上进化。
研究团队的研究成果建立了全面的海洋哺乳动物基因组数据集，为海洋哺乳动物水生适应相关性和不同海洋哺乳动物分支的趋同与进化提供了更多的遗传证据，为研究人员进一步开展海洋哺乳动物水生环境适应机制研究提供了良好的数据支持。同时，本研究对于揭示全球生物多样性形成与维持的机理，探索环境适应性与物种进化的关系具有重要意义。
然而，研究人员认为，虽然在遗传水平上已经发现了一些证据，但进一步揭示海洋哺乳动物对水生环境的分子适应机制将需要更多关于物种的高质量全基因组数据，以及单细胞转录组数据，蛋白质组学和代谢组数据，以及大量更详细的比较分析和实验验证。
"此外，人们对具有高智商，高社会化和长寿等特征的海洋哺乳动物的分子机制知之甚少，预计进一步的研究将导致这些领域的突破。该论文的作者说。
王竹华
来源：科学日报