讀創(chuàng)/深圳商報首席記者 袁斯茹

雖為鳥類，卻不會飛翔；雖然是著名的南極“特產(chǎn)”，但是在非洲、南美、澳大利亞甚至赤道附近，都有它們的身影。企鵝到底是如何從天空飛向海洋，在寒冷和高溫地區(qū)都能生存的？

近日，深圳華大生命科學研究院領銜的一項研究，通過多學科聯(lián)合的方式，重建了企鵝的起源與演化過程，并以此為案例揭示了環(huán)境變化、氣候及地質(zhì)事件對生物演化的作用，還解釋了企鵝如何二次適應海洋生態(tài)環(huán)境。研究成果于7月19日發(fā)表于《自然·通訊》。

《自然·通訊》截圖

重建企鵝演化史

目前，地球上一共生存著24種企鵝，共計6個分支，分別為王企鵝屬、阿德利企鵝屬、環(huán)企鵝屬、小藍企鵝屬、冠企鵝屬和黃眼企鵝屬。但在過去相當長的時間里，人們未能完全理解企鵝6個分支之間的關系，再加上在化石中發(fā)現(xiàn)的另外28個分支，更是增加了理順企鵝演化關系的難度。

此次研究中，團隊收集了幾乎全部已知的74種企鵝的形態(tài)及地理數(shù)據(jù)（含化石物種），并構(gòu)建了所有24種現(xiàn)存企鵝和3種近代滅絕企鵝的高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)集，在融合了系統(tǒng)基因組學、古生物學、形態(tài)學等方法后，終于重建了企鵝的演化史。

全球現(xiàn)存的24種企鵝（含亞種、爭議種）和近代滅絕的3種企鵝（Theresa L. Cole等繪）

約6500萬年前，在恐龍大滅絕后不久，企鵝的祖先在古西蘭地區(qū)（今新西蘭大陸）出現(xiàn)了。約3400萬年前，南極冰蓋形成，這個時期也出現(xiàn)了不少巨型企鵝物種。約1400萬年前，現(xiàn)代企鵝的共同祖先出現(xiàn)在了古南美洲。約260萬年前，第四紀冰期到來，地球氣候發(fā)生了劇烈的變化。企鵝在這個時期發(fā)生了快速演化事件，并在較短時間內(nèi)分化出了大部分的現(xiàn)生物種。

企鵝的“基因秘訣”

如果站在時間尺度上觀察企鵝的演化，會發(fā)現(xiàn)它們的體型逐漸趨向小型化；喙、四肢等形態(tài)轉(zhuǎn)變得更加適合海洋環(huán)境；而物種數(shù)目因冰期事件的影響，也與溫度呈現(xiàn)了相反的變化趨勢。

“傳統(tǒng)上認為熱帶或溫帶生物相對極地生物會有更快的演化速率。”論文共同第一作者、華大研究院周程冉博士表示，“但我們發(fā)現(xiàn)帝企鵝等高緯度企鵝，具有比低緯度企鵝顯著更快的演化速率，這表明南極極端環(huán)境給高緯度企鵝帶來了較大的壓力，而氣候波動等環(huán)境事件則進一步推動了企鵝的遷徙、演化與分化，在一定程度上也促進了高緯度物種對極端環(huán)境的適應?！?/p>

據(jù)悉，本次研究找到了企鵝適應環(huán)境的“基因秘訣”，揭示了企鵝適應寒冷環(huán)境和在水下生活的潛在機制。

由于海水的吸收作用，光被迅速削弱，僅有少量短波長光能到達水下約200m的深度。所以相比空氣，海水的透光性要差得多。因此水下視力一直是潛鳥面臨的大問題。而在企鵝中，一些光敏感相關的基因生了突變，影響了光傳導通路，促進了其對藍光、紫外光的識別，讓企鵝具備了暗光環(huán)境下敏銳的視覺。因此憑借多視覺基因改變的方式，企鵝獲得了更好的水下視力。

3400萬年前的伊卡企鵝頭骨化石與現(xiàn)代的秘魯企鵝頭骨對比圖（Daniel Ksepka拍攝）

作為世界上潛游能力最強的鳥類，企鵝素有“海洋之舟”的美稱。其血紅蛋白和肌紅蛋白具有顯著區(qū)別于其它鳥類的保守位點，而這些特征能讓企鵝更高效地利用血液中的氧氣，使其自身成為“高效富氧艙”，延長了潛水時間。

此外，研究團隊還在體溫調(diào)節(jié)、味覺偏好、肢體發(fā)育、骨骼生長和免疫系統(tǒng)等多方面發(fā)現(xiàn)了相關的適應性基因。這一系列重要的功能基因與企鵝形態(tài)、生理等特征的形成息息相關，也因為環(huán)境及其自身因素的共同作用，才塑造了今天的企鵝。

企鵝功能基因展示 （周程冉和方妙全繪，照片來自pixabay）

“在過去六千多萬年漫長的歲月里，隨著大陸的板塊運動和大氣二氧化碳濃度變化，企鵝歷經(jīng)了巨大的環(huán)境變化，尤其是從溫暖亞熱帶到冰雪世界的變遷。但是每次環(huán)境劇變后都有企鵝支系能脫穎而出、繁榮興盛，這代表著企鵝有極強的演化適應能力?！闭撐淖髡?、中國科學院動物研究所張德興研究員補充道。

“通過這些數(shù)據(jù)，我們有機會全面地揭示企鵝的物種形成和滅絕過程，”論文通訊作者、浙江大學生命演化研究中心張國捷教授總結(jié)道，“這是探索生命演化和環(huán)境適應邁出的重要的一步，也是新的開始?！?/p>

（華大供圖）

審讀：孫世建