從陸地到海洋,鯨魚「斷捨離」了哪些基因適應?

 

鯨魚啊鯨魚,你為什麼沒有口水?

《從陸地到海洋,鯨魚「斷捨離」了哪些基因適應?》

這是水生生物為了適應環境所涉及的基因喪失。圖/pixabay

大約五千萬年前,鯨類(Cetaceans)開始在水中生活。根據分子和形態學研究,鯨魚綱很可能是由有蹄類動物演化而來。一般來說,學者傾向用「獲得新基因」來解釋生物如何在新環境下適應、進而繁衍後代,近來的研究卻表示:陸生動物為了適應水中環境既失去、也得到基因。也就是說——

失去特定基因與獲得同等重要。

少了一些基因?

基因損失在某些情況下,不僅是針對「已過時功能」所進行的隨機剃除,更可能是一種生物的適應機制。例如在陸地哺乳類動物身上負責調節熱量的體毛,在水中反而會產生阻力。沒有了體毛,鯨類就能夠提升游泳速率、減少被捕食的機會。此時,這類基因的丟失就有助於適應新環境

《從陸地到海洋,鯨魚「斷捨離」了哪些基因適應?》

鯨類動物從陸生四足哺乳類到水生的不同適應階段。圖/wikimedia

科學家發現 85 個在兩種現生鯨類(鬚鯨和齒鯨)演化史中因突變失去活性的基因,有 62 個基因為新發表。其中 8 個已經確定與水生生活的適應有關:比如負責生成陸地哺乳動物口水的基因 SLC4A9。它能幫助分解澱粉和潤滑口腔,但這功能在水生環境中顯然不太重要,加上唾液的分泌會加速體內淡水流失,對生活在高張溶液(海水)中的鯨類來說十分危險。

不只沒有口水,還可以用半個腦袋睡覺

作為海中哺乳類動物,鯨魚發展出「單側腦半球」的睡眠現象:讓一半的大腦睡覺、一半維持清醒,防止因深度睡眠而錯過換氣。為此,牠們失去了數個和分泌褪黑激素有關的基因。

《從陸地到海洋,鯨魚「斷捨離」了哪些基因適應?》

在海中,鯨魚可不能只是專心睡覺。圖/gettyimage

另外,鯨類還失去了負責凝血的 F12KLKB1,避免血管在海裡生成血栓註1;剔除 MAP3K19SEC14L3 基因則可以防止鯨類的肺臟失去彈性註2。其它種基因的喪失可以降低 DNA 修復機制下產生的基因突變,調整血液中因深度潛水所需之高氧對身體造成的損害。

斷捨離,該丟的就丟吧

透過以上舉例,我們得以稍微理解水生哺乳類的演化史,對生物在適應上的演化機制也多了不同的思考方向。原本棲息在陸上的哺乳類,要想在完全不同的水生環境下生活就得做出必要的割捨;換個環境,原本有益的基因,反而有可能會產生致命傷害。筆者在這裡便套句老話做個結尾:

沒用的東西不丟,是要留著過年逆!?

共勉之。

註:

  1. F12 在體內碰到異物表面時,會引起凝塊。鯨魚因為在海中反覆閉氣,容易在血液中形成氮微氣泡。這些氣泡就像外來的異物,會導致有害血栓生成。
  2. 不同於其它陸生哺乳類動物,鯨類的肺在下潛時會急遽壓縮、返回海表時快速擴張,以利牠們能一次更新肺中 90% 的空氣。MAP3K19SEC14L3 基因的丟失可以防止鯨類肺部產生損害繼而喪失彈性。

資料來源

  1. 本文主要編譯自:Why don’t whales have saliva?
  2. Marine_mammal, wikipedia
  3. Huelsmann, M., Hecker, N., Springer, M. S., Gatesy, J., Sharma, V., & Hiller, M. (2019). Genes lost during the transition from land to water in cetaceans highlight genomic changes associated with aquatic adaptations. Science advances, 5(9), eaaw6671.

 

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