日前,《當代生物學》(Current Biology)在線同時發表了兩篇與內地學者相關的文章:一篇是在密歇根大學做訪問研究的中國科學院昆明動物研究所副研究員李英、昆明動物所碩士研究生劉振以及研究員施鵬與美國密歇根大學教授張建之合作發表的《聽覺基因Prestin聚類回聲定位蝙蝠與鯨》;另一篇是華東師范大學博士研究生劉洋、碩士研究生沈斌和韓秀群與其導師張樹義教授以及英國學者Rossiter、Cotton博士合作發表的《回聲定位蝙蝠與海豚基因序列的趨同進化》。三國學者共同留下一段“文人相敬”的科學佳話。
趨同進化是指不同生物類群中獨立進化出相似性狀的事件。趨同進化在形態學上普遍存在,也是支持達爾文自然選擇學說的重要證據,但迄今為止在分子水平上趨同進化的例子并不多見。大部分蝙蝠具有發達的高頻回聲定位能力,而回聲定位和飛翔也是蝙蝠在自然界生存、繁衍和適應的重要特征。2008年,張樹義與Rossiter等聯合在美國《國家科學院院刊》(PNAS)發表文章揭示,在兩類進化上獨立的回聲定位蝙蝠中,prestin基因經歷了趨同進化;他們還證明了這一過程是由自然選擇驅動的。
隨后,中美、中英學者各自獨立地想到另一個更為深入的題目:在自然界,鯨是除蝙蝠之外的另一類具有發達回聲定位能力的哺乳動物;那么,回聲定位的蝙蝠與回聲定位的鯨之間是否存在聽覺基因的趨同進化?為了在分子水平上探討這一問題,中美學者從具有回聲定位的海豚的基因組中擴增了與聽覺相關的基因prestin,并分別用最大似然法、最大簡約法,和鄰接法對海豚、蝙蝠和其他哺乳動物的prestin基因作了進化分析。他們發現當用prestin蛋白質序列構建系統發育樹時,這3種方法都將具有回聲定位的蝙蝠和海豚聚到一起,而用同義突變核苷酸位點所構的進化樹卻又很好地符合其物種樹。為了解釋這種不一致的現象,他們又分別利用樹形比較和祖先序列與現存序列比較兩種方法找出了造成這種差異的位點。經過仔細論證,并且排除了造成這種現象的其他可能因素(DNA污染、長枝吸引、水平基因轉移、氨基酸使用偏好等),他們最終得出了這種現象的出現是適應性平行進化的結果,并且鑒別出了11個平行進化位點。這11個位點的平行進化可能使蝙蝠和鯨的prestin蛋白具有在回聲定位過程中檢測高頻超聲波的功能。這項工作為探討回聲定位的分子機制邁出了重要一步。
中英學者提出假設:回聲定位鯨類和回聲定位蝙蝠的prestin基因在分子水平上也許同樣存在趨同進化。Prestin基因編碼的蛋白在獸類耳蝸的外毛細胞中表達,與耳蝸對聲音頻率的敏感性和選擇性有關。經過實驗,他們從基因組DNA中得到7種鯨類的prestin基因序列全長。通過prestin基因樹的構建以及選擇壓力的分析,他們發現4種具有高頻回聲定位能力的海豚和回聲定位蝙蝠在基因樹上聚成了一個支持度很高的單系群,有明顯的趨同進化的可能。同樣令人興奮的是:兩種非回聲定位的須鯨在基因樹上還是同它們的鯨偶蹄目近親——牛聚在一起,并沒有同回聲定位蝙蝠聚在一起。在排除長枝吸引和基因轉換等其他非自然選擇因素的影響后,他們肯定了在兩類獨立產生的高頻回聲定位物種中發生趨同進化的結論。有趣的是,當抹香鯨的序列被加入后,兩類回聲定位物種中趨同進化的信號明顯減弱。因此,他們得出結論:對高頻聲音的敏感聽覺,而不僅僅是回聲定位,是蝙蝠、海豚這兩類親緣關系很遠的動物類群之間發生基因序列趨同進化的原因。
在兩個團隊各自獨立研究接近尾聲的時候,他們了解到對方團隊也在進行相關研究,于是,兩個團隊友好地保持聯系,并肩投稿到《當代生物學》,該雜志接受并發表了這兩篇各自獨立完成的科研論文。
更多閱讀
回聲定位何時以及如何在蝙蝠中起源與演化的問題,長期以來是個“謎一樣的存在”。記者29日從中國科學院昆明動物研究所獲悉,該所進化與功能基因組學學科組結合一系列進化分析、功能實驗以及轉基因小鼠的生理檢測,......
中新網北京1月27日電(記者孫自法)國際著名學術期刊《自然》最新發表一篇動物學論文,研究人員基于蝙蝠內耳解剖結構支持了一項有爭議的演化分類,這也為理解各種蝙蝠內耳結構變化為其多樣的回聲定位策略提供了新......
回聲定位(echolocation)是指動物通過比較發出聲波和接收回聲的信息差別,進行導航、覓食等活動的一種定向行為。人們所熟知的回聲定位動物主要包括食蟲蝙蝠和齒鯨等。6月18日,Science在線發......
現在,一項新的研究正在調查,對淀粉的追求如何驅動饑餓的哺乳動物進化適應。這項有關46種哺乳動物的研究,重點針對一種叫做淀粉酶的生物化合物,它由人類和其他動物產生,用來分解淀粉。研究發現,在哺乳動物進化......
膠質母細胞瘤是一種目前無法治愈的腦腫瘤,是一種致命的腦癌,其背后有100多種蛋白質突變,然而由斯德哥爾摩KTH皇家理工學院的LauraOrellana領導的研究小組發現了這些突變的共同之處。這項新研究......
諸如寬吻海豚等海洋哺乳動物能降低對巨大噪音的聽力靈敏度。想象你在一場搖滾音樂會上無須戴耳機,只是調整一下耳朵里的控制器,便能降低音量并且保護聽力。最新研究發現,4種鯨和海豚能很自然地做到這一點。這或許......
狐蝠的祖先具有超聲波回聲定位能力,且與其他蝙蝠同宗同源,只是在發育過程中逐漸喪失了這種能力。沈陽農業大學教授張樹義科研團隊的這一科研成果,日前在自然出版集團《自然生態與進化》上在線發表。蝙蝠出色的超聲......
狐蝠的祖先具有超聲波回聲定位能力,且與其他蝙蝠同宗同源,只是在發育過程中逐漸喪失了這種能力。沈陽農業大學教授張樹義科研團隊的這一科研成果,日前在自然出版集團《自然生態與進化》上在線發表。蝙蝠出色的超聲......
沈陽農業大學張樹義、王喆與愛爾蘭都柏林大學學院EmmaTeeling等合作完成的一項研究認為,所有蝙蝠物種,包括無法回聲定位的蝙蝠的內耳在演化之初都有回聲定位的能力。該研究認為,回聲定位能力在蝙蝠中演......
趨同進化是進化生物學領域的研究熱點,通常表現為,不同物種為了應對相似的生境而發展出相同的生存策略。因此,人們普遍認為,表型的趨同變化是適應性進化的結果。對趨同表型分子機制的闡釋不僅能夠提供一種將基因型......