动物如何传承适应环境的能力

新的研究表明,在一些物种中,父母的经历可以帮助它们的后代更好地生存下去。在瞬息万变的海洋环境中,这是一个充满希望的好消息。这些研究大多集中于珊瑚礁鱼类,这些物种具有高度的内在变异性和可塑性。

众所周知,我们的父母总是喋喋不休地给自己的后代提出各种建议,希望给子女不确定的未来提供更多更好的经验,少走弯路,创造更多更佳的生存机会。人类就是这样,一代又一代地将自己的经验传递给后代。那么,其他物种是否也有类似的本能呢?它们又是通过什么样的途径来实现自己的愿望呢?

多棘雀鲷将适应环境温度的能力传给后代

2018年,澳大利亚科学家蒙迪发现:岩礁鱼能够继承父母耐海洋变暖的能力,因而岩礁鱼宝宝生下来就能适应海洋变暖的环境。该研究发现,与之前的认识不同,在海洋环境变化中,动物不只是无助的受害者,不会完全被动地面对一个不可避免的毁灭性未来。动物父母所经历的一切环境变化,塑造了动物后代对变化环境的适应性。比如,鱼就拥有这种惊人的适应能力。

在比正常溫度高几摄氏度的水中长大的多棘雀鲷的后代能够更好地在温度升高的海洋环境下生存。

在实验室里,科学家培育出了适应变暖环境的一种小热带鱼——多棘雀鲷。如今,夏季海洋平均水温比以往高1~2℃,这对大多数珊瑚礁鱼都会产生负面影响,例如,这种变化会使多棘雀鲷的游泳能力或生长速度受到影响,而且由于较高水温导致水中含氧量减少,鱼儿的呼吸也会受到影响。

在实验室里,当饲养的多棘雀鲷生活在比如今海洋温度高3℃的水中时,它们的后代就拥有了在比海洋温度高3℃的水中仍然能够获得足够氧气,以维持正常生存的能力。这一实验表明,生活在较高水温下的多棘雀鲷父母产下的幼鱼能够更好地适应较高水温的海洋环境。

后代从父母经历中受益而获得适应环境能力,这不仅仅发生在鱼的身上。水蚤是一种生长在淡水湖、池塘和水坑里的生物,这种小型甲壳动物孵化出来的后代,既可以是圆头,也可以是尖头。科学家发现:如果水蚤与鱼、蠓或其他昆虫共享水源,就会长出带刺的尖头,那就是它的保护“头盔”,这有助于减少水蚤被吃掉的可能性。对于许多种类的小水蚤来说,它们是否长出这种防护性的“头盔”,要取决于它们母亲的经历。如果水蚤妈妈在怀孕期间接触到某种捕食者的化学信号,那么它就会生出更多带有尖头的后代。

图中所示的水蚤,可能生来就有或没有刺或棘。它们是否能够长出具有保护性的“头盔”取决于它们母亲的生存体验。

这种惊人的可塑性也存在于其他物种中。例如,如果蚜虫和捕食者生活在同一个栖息地,蚜虫的后代就能长出翅膀,以便远走高飞,躲避被捕食的厄运。也就是说是蚜虫父母的生存环境决定了后代是否应该长出翅膀,而蚜虫后代自身的可塑性则决定了它们可以长出翅膀。这听起来就像童话故事令人感到不可思议:周围环境变化导致主人公长出了翅膀!但在自然界中,这就是真实存在的。

正是这些现象吸引蒙迪进行这方面的研究。他想知道:动物是如何受到气候变化影响的,它们是否能够适应这种变化,它们又是如何将这种适应性传递给它们后代的?

气候变化迫使海洋鱼类生活在更温暖的水温和海洋酸化环境中。蒙迪的研究激发了更多科学家的兴趣,他们试图了解:在这个快速变化的环境中,动物后代是如何从父母的经历中获得有益的生存能力的。蒙迪指出,这背后的原因部分与表观遗传学有关。

表观遗传学是研究基因表达变化的学科,表观遗传与突变的不同之处在于,基因的实际序列(DNA代码)保持不变。上述实验室里的那些多棘雀鲷就是一个很好的例子:多棘雀鲷父母被放在更暖的水中并不会改变它们传递给幼鱼的基本遗传密码,但可以对哪些基因会表达出来产生影响。当多棘雀鲷父母接触到更高的水温时,似乎决定着DNA序列中某些基因是否打开或关闭——如果多棘雀鲷父母现有的DNA中的某些基因拥有了适应较高水温的能力,那么后代这些基因的表观遗传的开关也将被会打开。

蓝头濑鱼生存环境决定后代性别

基因表达差异的程度决定了野生种群胚胎中已经存在的形态的可塑性。这也是为什么珊瑚礁鱼会成为重要的表观遗传学研究对象的原因之一:珊瑚礁鱼拥有动物界中极为惊人的可塑性。再如,蓝头濑鱼可以改变性别,雌性可以变身为体形更大、色彩更艳丽、更具领地意识的雄性。有的雄性蓝头濑鱼也可以将自己伪装得看起来与“柔弱”的雌鱼一模一样。这种伪装策略让它们能够在不被发现的情况下偷偷潜入更强大雄性的领地内去寻找中意的配偶。

蓝头濑鱼幼鱼的性别取决于其早期发育时周围潜在“敌人”的数量,如果它在一个很大的暗礁上孵化,由于那里有很多鱼,所以即使是强大的雄性也很难周全地保护它所有“妻妾”。在这种情况下,正在发育的幼体更有可能成为雄性。生命早期的社会环境决定了幼鱼成为雌性或雄性的轨迹,甚至还有中途改变性别的可能性。一个物种竟然拥有如此复杂的可选择的策略和可塑性,实在令人吃惊。

某种特性具有有利于生存的可塑性,并不意味着这种可塑性会存在于所有特性中。科学家发现:多棘雀鲷的后代完全能够在较高的水温下获得足够的氧气,却不能繁殖。为什么会这样?鱼儿对海洋温度上升适应能力的研究在这里遇到了瓶颈。于是,科学家采取了一种循序渐进的实验策略。他们没有直接将鱼放入比正常温度高3℃的水中,而是在第一年将鱼放入比正常温度高1.5℃的水中,第二年再放入比正常温度高3℃的水中,让它们逐渐适应越来越高的水温。经过这种逐渐适应的策略,这些鱼果真就能够繁殖后代了。换句话说,只要让鱼儿有足够的时间去适应,它们就能够安然无恙,正常生存。

蓝头濑鱼有变成雄性或雌性的内在能力,它们的性别很大程度上是由珊瑚礁上的环境动态所决定的。

鳐鱼表观遗传变化可传递多代

考虑到全球气候变暖的频率和强度不断上升,珊瑚礁鱼是否能够应对海洋温度的突然变化和逐渐变化是一个关键问题。2018年10月,联合国发布的气候报告称,目前全球温度比工业化前的水平高出1℃,气温的持续增高加剧了气候不稳定而产生的破坏性影响。2016年,澳大利亚大堡礁30%的珊瑚在长达9个月的可怕海洋热浪中死亡。温度升高1~2℃,珊瑚白化现象就会出现。如果珊瑚一直白化,最终就会死亡。2016 ~2017年,大堡礁珊瑚曾发生了有史以来最严重的持续白化现象。

那么,珊瑚后代能够从父母的经历中获得恢复能力吗?科学家在实验室里将成年珊瑚暴露在温度升高和酸化环境中,然后将它们的后代暴露在同样的环境中。结果发现,如果父母曾经历过短时间的不利环境,其后代的存活率和生长率都会更高。科学家认为,这种快速的适应性也要归功于表观遗传。但是这些适应性能长久持续下去吗?在变暖的海洋环境中,珊瑚生存能力的提高会短暂出现,然后很快消失,還是会遗传给后代呢?

在加拿大,研究鳐鱼的科学家们正在探索这个问题。他们研究了鳐鱼两个种群的遗传物质,其中一种鳐鱼生活在大西洋寒冷的新斯科舍海岸,另一种鳐鱼生活在温度高10℃的圣劳伦斯湾南部。生活在更温暖的圣劳伦斯的鳐鱼体形明显变小,这是一种适应性改变。变小使得鳐鱼能够在温暖水域的低氧环境中生存下来,它们通过表观遗传基因修饰实现了较小体形的生理改变。

暴露在较高温度下的成年珊瑚可以将它们适应气候变化的一些能力传递给后代。虽然生活在不同地方的两个鳐鱼种群是相同物种,但生活在温度较高、含氧量较低水域中鳐鱼的体形比温度较低、含氧量较高水域中的同类体形更小。

鳐鱼的这两个种群在地理上的分离已有7000年历史,但它们在基因上并无差异。也就是说,圣劳伦斯湾南部的鳐鱼并没有进化,它们的DNA与其他鳐鱼种群完全相同。但不同的是,它们的基因表达模式总共发生了3653个变化,使它们的身体适应了更温暖的海水。研究确定,这些表观遗传变化已经发展并持续了318代。

然而,由于表观遗传变化不涉及DNA基因密码的永久性变化,这种表观遗传变化也有可能是可逆的。这一特性正在推动人类医学的一场革命。表观遗传治疗的巨大潜力在于,与基因异常不同,表观遗传变化是可逆的,因此,受影响但未发生基因变异的DNA序列有恢复正常功能的希望。

如今,大量医学和生物学研究表明:温度、激素或其他化学物质的变化都有可能通过改变某些引导基因表达方式的表观遗传因子来对DNA产生影响。这与一个多世纪前人们对环境如何导致变化的理解大相径庭。早在19世纪80年代,德国生物学家奥古斯特·魏斯曼就曾试图通过切除连续五代老鼠的尾巴来研究某代老鼠的变化对下一代老鼠的影响。他得出结论认为,环境刺激的效果(在这个例子中是切断老鼠的尾巴)不能传递给它的后代,切掉尾巴老鼠的后代生下来都是有尾巴的。但魏斯曼没有意识到的是,切断老鼠父母尾巴与老鼠是否有尾巴没有任何关系。引发表观遗传变化的因素是温度或化学物质,而不是物理伤害。另外,老鼠天生有没有尾巴已经存在于它们的遗传密码中,只有通过遗传密码,这种特征才能遗传下去或表达出来。

斑胸草雀父母警示胚胎适应环境

科学家不断发现令人震惊的动物“跨代适应”的例子。例如,澳大利亚科学家玛丽特在观察斑胸草雀的行为时,听到了一声她从未听到过的叫声。那是一只斑胸草雀在呼唤它还未孵出来的宝宝,它是在与仍在蛋壳里的宝宝交流。但当时玛丽特还并没有意识到这一点。

在听了600个小时的录音后,玛丽特发现,斑胸草雀的父母只有在周围环境非常炎热时才会发出这样的叫声。斑胸草雀的父母通常在孵育后期快结束时才会发出这种“高温预警”叫声。目前还不清楚斑胸草雀选择这一时机发出如此叫声的原因,可能是因为在此之前胚胎还没有发展出听觉能力,无法接收到父母传递信息。

在接下来的实验中,玛丽特将斑胸草雀卵放在孵化器中,并将它们分成两组。一组听到的是斑胸草雀父母通常的叫声,另一组听到的是斑胸草雀父母在孵化前5天内发出的“高温预警”叫声的录音。

雏鸟在孵化出来时身体大小没有差异。然而,在雏鸟被放置在较凉爽或较炎热巢穴中24小时内,研究人员就发现了雏鸟体重的差异,胚胎期听到过“高温预警”叫声的雏鸟发育较缓慢、体形较小。这是因为,较小的体形更有利于散热,这是适应高温环境的一种优势。当它们长大后,这些听到过“高温预警”信号的斑胸草雀,会继续寻找更凉爽的筑巢地点,它们比那些没有准备好应对高温的同类拥有更多的后代。可见,父母的“言传身教”使它们更能适应变热的环境。

斑胸草雀幼雏的体形大小和它们耐受更高温度的能力,由父母接触到的环境变热程度决定。

研究表明,在温度调节系统形成过程中,听到“高温预警”叫声的雏鸟的身体发育与它们的兄弟姐妹迥然不同。这种“产前声学体验”对于动物适应环境的研究有很重要的意义。斑胸草雀似乎是在用特殊的叫声来改变未孵出雏鸟的温度调节系统,并长期改变后代对热的敏感性,让未孵出的宝宝在胚胎期就为拥有应对极端高温天气的能力做好准备。研究表明,鸟类比我们想象的更擅长于应对环境变化。也许鸟类真的能够应对并很快适应温度上升,适应所有那些正在快速发生的其他环境变化。

动物们在令人担忧的环境变化中积极影响后代的适应能力,这让我们能够更好地理解其他物种在整个人类环境中的代际适应机制。动物世界中的“跨代适应”给我们带来了更多希望,为人类应对地球变暖环境提供了更多的可能性。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午10:43。
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