鸭嘴兽和人类有着共同祖先?来听听Nature重磅成果解读
发布时间:2021-01-19
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距今8000万年前,澳洲大陆脱离了南极洲大陆向北漂移。由于海水的隔绝,这片平坦而古老的大陆诞生了许多不同寻常的物种,在南半球演绎着另一番自然生机。有熟悉的袋鼠、考拉、袋狼、袋熊、鸸鹋、针鼹……还有鸭嘴兽。这一样貌和行为都称得上古怪的神奇动物,直到18世纪末才被人们发现。

它常常栖居于河岸,也善潜水 | Tourism Australia blogger

鸭嘴兽(Ornithorhynchus anatinus)是最早分化形成的哺乳动物之一,在哺乳动物的演化过程中占据非常重要的位置。它和人类在大约1.8亿年前有着共同的祖先,通过研究它的基因组,科学家们可以得知关于性状特征起源的诸多奥秘。

2021年1月7日,深圳华大生命科学研究院生物多样性团队、哥本哈根大学、浙江大学、澳大利亚阿德莱德大学等单位联合在英国著名杂志《Nature》刊登发布的重磅文章,就为我们讲述了这其中的演化故事。

刊发在《Nature》的重磅成果

在一亿年前的演化故事

这次,中外科学家们首次成功构建出了包括人在内的所有现生哺乳动物共同祖先的基因组图谱。现代人有46条染色体,而人和鸭嘴兽的共同祖先很可能有60条染色体,这些染色体经过了很多次的变异才形成了今天的状态。

推测哺乳动物的共同祖先 2n=60 | 参考文献 [1]

此次的研究对象除了鸭嘴兽,还包括短吻针鼹(Tachyglossus aculeatus)。它们都是单孔目的卵生哺乳动物,是现存哺乳动物中古老而原始的类型,在演化路径上孤独求索。

短吻针鼹,又称为澳洲针鼹 | Roman Sandoz, flickr

现存的单孔目动物一共仅有五种,由于它们排尿、排便、生殖都共用一个开口,因此被命名为单孔目(Monotreme)。它们曾经与人类有着共同的哺乳动物,1.8亿年前在演化路上形成两个分支,分别是人类所在的兽亚纲(Theria),鸭嘴兽所在的原兽亚纲(Prototheria)。后来,原兽亚纲的其他几个目纷纷灭绝,仅余单孔目;而其下的鸭嘴兽科,也仅余鸭嘴兽一种。

日本国立博物馆的鸭嘴兽标本 | Motokoka, Wikimedia, CC BY-SA 4.0

研究团队获得鸭嘴兽和针鼹的高质量基因组数据之后,通过对比人类、有袋类动物等基因组数据,得到不少关于演化的古早秘密——和其他哺乳动物一样,鸭嘴兽幼崽会依靠妈妈的乳汁长大,但它们也有着不少怪异之处,比如它们的性染色体数,是人类的五倍。

鸭嘴兽的性染色体比人类多

虽然人类与鸭嘴兽有着共同的祖先,但是在性染色体发展上却少有关联。人类有23对、46条染色体,其中有1对是性染色体,女性为XX,男性则为XY。鸭嘴兽则有5对性染色体,一共10条,雌性为10条X染色体,雄性有5条X染色体和5条Y染色体。

鸭嘴兽有5对性染色体 | 参考文献 [1]

这会不会是在演化过程中,人类丢失了一部分性染色体,或是鸭嘴兽复制了多几组呢?本次的研究成果给出了答案——通过对比基因组发现,单孔目动物的性染色体与包括人在内的大多数哺乳动物的性染色体并没有任何同源关系。可以理解为,人类与鸭嘴兽是在祖先分歧之后,各自独立演化出了不同的性染色体系统。

鸭嘴兽有着特殊的性染色体系统 | Field Museum, flickr

在对比了鸭嘴兽和鸟类的性染色体之后,研究团队发现,鸭嘴兽的性染色体反倒与鸟类的有更高的序列相似性。它们非常可能是通过多对古老的常染色体相互之间发生非同源的片段交换而产生,即发生了转座异位。产卵繁殖的鸭嘴兽在性染色体的层面上,也与鸟类有着不谋而合的倾向。

推测可能发生的转座异位情况 | 参考文献 [1]

关于鸭嘴兽的其他神奇设定

鸭嘴兽种群数量并不多,被全球濒危物种红色名单IUCN评为近危(Near Threatened ),我们只能在澳洲见到。它们有着像鸭子的嘴巴,像河狸的身子,像水獭的爪子,以及扁平的尾巴帮它们在游泳时获得平衡。

模样古怪的鸭嘴兽 | Klaus, Wikipedia, CC BY-SA 2.0

虽然是哺乳动物,鸭嘴兽却靠产卵繁殖。它们产下来的蛋稍微不同于鸟类的硬壳蛋,其直径往往只有1cm,而且是软壳革质的。研究团队发现,它们相较爬行类和鸟类来说虽然丢掉了一些基因,但仍保留着多数参与卵形成的基因(比如编码卵黄蛋白原分子的基因——这一分子参与了卵黄营养物质运输过程),而这些产卵相关的基因在人类、考拉等常见哺乳动物中已经完全丢失。

破壳而出的鸭嘴兽幼崽 | Smithsonian Channel

鸭嘴兽的幼崽与其他哺乳动物一样,需要依靠妈妈分泌的乳汁成长。这一点在基因组数据中得到了印证,以鸭嘴兽为代表的单孔目物种有着参与泌乳过程的基因,比如编码酪蛋白(Casein)——乳汁中主要成分之一的基因。这也说明了哺乳这一特征和对应的基因,早在人类和鸭嘴兽的共同祖先身上就已经演化形成;而我们体内的这段基因,也许1.8亿年前就已经存在。

小鸭嘴兽靠哺乳喂养长大 | MelbourneWater

鸭嘴兽会熟练地潜水,在水里靠感受生物发出的微弱电场来定位捕食。它们的眼睛很小,并不常在水中使用,耳朵位于眼睛后方的凹槽里,会在潜水之时闭合起来。而感受猎物的部位,正是它们那个鸭子模样的嘴巴——上万个电感应器位于嘴巴的皮肤上,如雷达一般能迅速感知水中生物的电信号。

作为夜行性动物,在水中摸黑觅食,它们的犁鼻器受体稍有扩大,这和其他夜行性动物有着类似的结论,犁鼻器受体基因的数量也比针鼹等动物多。

它们并不是靠双眼去寻找猎物 | Dave Irving, flickr

犁鼻器(Vomeronasal organ VNO)这一器官听起来可能有些陌生,实际上人类也有这么一个部位。它位于口腔顶壁、鼻腔底部,不过已经高度退化。动物学研究中,犁鼻器被证实是用于辅助感受物质的气味甚至荷尔蒙的,蛇类、蜥蜴、大象、牛羊、猫咪都有着类似的构造。比如蛇类在收回叉状舌头时,会利用口腔上颚的犁鼻器来检测空气中的化学线索,以辅助判断猎物或捕食者是否存在。

鸭嘴兽每天的食量是自己体重的15~30%,而它的胃却几乎退化了。它会靠着扁平的鸭嘴在水底掘起食物,连同泥沙一并放入颊囊里,带到岸上再认真咀嚼。水中的蠕虫、淡水虾、蝌蚪、鱼卵、虫卵等等皆是鸭嘴兽的食物。然而成年鸭嘴兽并没有牙齿,凭借带有横脊的角质化牙龈板,把食物反复碾碎消化;几乎退化的胃,则被连接在一起的肠道和食管取代。

岸边生活的大胃王 | Heinrich Harder, wiki commons

从基因组分析里能看出,鸭嘴兽和针鼹都丢失了许多牙齿和胃发育相关的基因,比如参与牙齿形成及牙釉基质矿质化的牙成釉细胞相关基因(Odontogenic ameloblast-associated Gene),引导ATP酶将氢离子泵入胃中、刺激胃酸分泌过程的胃泌素基因(Gastrin Gene),而这两个基因在我们人类身上仍存在。

科学探索,步履不停。从繁复的基因组中,我们逐渐读懂了一连串的生物密码,也正在一步步地揭开,关于远古生命的更多奥秘。

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