实时进化：科学家在 30 年的海洋蜗牛实验中预测并见证了进化

Josiah02 · 发表于 2024-10-12 14:13:14

科学家们亲眼目睹了一座岩石小岛上的蜗牛进化的过程。有毒藻类的大量繁殖使这些海蜗牛从岛上消失，之后它们被重新引入。虽然研究人员有意引入了同一蜗牛物种的一个独特种群，但这些蜗牛进化后与 30 多年前消失的种群惊人地相似。
该研究由奥地利科学技术研究所 (ISTA) 和挪威北方大学的研究人员领导，发表在《科学进展》上。
那是 1988 年。科斯特群岛是瑞典西海岸靠近挪威边境的一组岛屿，该群岛遭受了特别密集的有毒藻类的侵袭，导致海洋蜗牛种群灭绝。但为什么有人会关心公海中一块三平方米的岩石上的一群蜗牛的命运呢？事实证明，这一事件将为我们预测和亲眼目睹进化的进程提供机会。
此前，这些岛屿及其潮间带小岛礁（岩石小岛）是密集而多样的岩螺种群的栖息地。虽然较大岛屿的蜗牛种群（其中一些已减少到不到 1%）在两到四年内得到恢复，但一些岩螺似乎无法从这次严重打击中恢复过来。
瑞典哥德堡大学的海洋生态学家 Kerstin Johannesson 看到了一个独特的机会。1992 年，她将 L. saxatilis 蜗牛重新引入它们已消失的礁石栖息地——开始了一项将在 30 多年后产生深远影响的实验。
它使得由奥地利科学技术研究所 (ISTA)、挪威诺德大学、瑞典哥德堡大学和英国谢菲尔德大学的研究人员领导的国际合作能够预测和见证正在发生的进化。
波浪螺和蟹螺
L. saxatilis 是一种常见的海洋蜗牛，遍布北大西洋沿岸，不同种群进化出了适应环境的特征。这些特征包括大小、壳形、壳色和行为。
这些特征之间的差异在所谓的螃蟹生态型和波浪生态型之间尤为明显。这些蜗牛在不同的地方反复进化，要么在暴露于螃蟹捕食的环境中，要么在远离螃蟹的暴露于波浪的岩石上。
波浪螺通常体型较小，壳较薄，有特定的颜色和图案，孔口大而圆，行为大胆。另一方面，蟹螺体型明显较大，壳较厚，无图案，孔口较小且较长。在捕食者占主导地位的环境中，蟹螺的行为也更为谨慎。
瑞典科斯特群岛是这两种 L. saxatilis 蜗牛的栖息地，它们通常在同一岛屿上相邻，或仅隔着几百米的海域相隔。在1988 年有毒藻华爆发之前，波浪蜗牛栖息在群岛上，而附近的海岸则是蟹螺和波浪蜗牛的栖息地。这种空间上的紧密接近至关重要。
重新发现旧特征
看到这些礁石上的波浪蜗牛种群因有毒藻类而完全灭绝，约翰内森于 1992 年决定将蜗牛重新引入其中一处礁石，但要重新引入蟹型蜗牛。每年引入一到两代，她理所当然地认为蟹型蜗牛会在科学家的眼前适应新环境。
“我们的同事在实验开始后的头十年就已经看到了蜗牛适应的证据，”ISTA 巴顿集团的研究生、这项研究的作者之一迭戈·加西亚·卡斯蒂略 (Diego Garcia Castillo) 说。
“在这项 30 年的实验中，我们能够准确预测蜗牛的外观以及哪些基因区域将受到影响。这种转变既迅速又引人注目，”他补充道。
然而，蜗牛并非完全从零开始进化出这些特征。共同通讯作者、ISTA 前博士后、现为 Nord 大学研究员的 Anja Marie Westram 解释说：“一些遗传多样性在最初的螃蟹种群中已经存在，但流行程度较低。这是因为该物种在近期经历过类似的情况。蜗牛能够接触到大型基因库，推动了这种快速进化。”
多样性是适应的关键
研究小组在多年的实验中研究了三个方面：蜗牛的表型、单个基因的变异、以及影响整个染色体区域的更大的基因变化（称为“染色体倒位”）。
在最初几代中，研究人员见证了一种有趣的现象，称为“表型可塑性”。移植后不久，蜗牛就改变了形状以适应新环境。但蜗牛种群也很快开始发生基因变化。研究人员可以预测基因变化的程度和方向，尤其是染色体倒位。
他们表明，蟹螺的快速和剧烈转变可能是由两个互补过程造成的。首先是蟹螺种群中已经以较低频率出现的特征的快速选择，其次是邻近的海浪螺的基因流动，这些海浪螺只需漂流 160 多米即可到达礁石。
面对污染和气候变化的进化
理论上，科学家知道基因变异程度足够高的物种能够更快地适应变化。然而，很少有研究旨在对野生物种随时间推移的进化进行实验。
加西亚·卡斯蒂略说：“这项研究让我们能够更仔细地观察重复进化，并预测一个种群如何发展出在过去类似条件下分别进化的特征。”
该团队目前想要了解物种如何适应污染和气候变化等现代环境挑战。
“并非所有物种都有大型基因库，从头开始进化新特征的过程非常缓慢。适应过程非常复杂，我们的地球也面临着复杂的变化，包括极端天气事件、快速的气候变化、污染和新寄生虫，”韦斯特拉姆说。她希望这项工作将推动进一步研究如何维护具有大型和多样化基因组成的物种。
韦斯特拉姆总结道：“也许这项研究有助于说服人们保护一系列自然栖息地，以便物种不会失去其基因变异。”
如今，约翰内森在 1992 年带到岩石上的蜗牛种群数量已达 1,000 只左右。

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