《Science》大量DNA数据显示，雀鳝确实是“活化石”

这个故事的一个版本刊登在《Science》杂志第383卷第6687期。

　　

1859年，查尔斯·达尔文创造了“活化石”这个词，用来描述数千万年来看起来都一样的谱系，比如腔棘鱼、鲟鱼和马蹄蟹。这个词吸引了大众的想象力，但科学家们一直在努力弄清楚，这些物种是与它们很久以前的祖先相似，还是在千万年的时间里真正进化得很少。

现在，在今天发表在《Evolution》杂志上的一项研究中，研究人员证实，在一些(但不是全部)活化石中，进化实际上处于停滞状态。最引人注目的例子是一种叫做gar（雀鳝）的史前鱼类，它的分子进化速度是所有有颌脊椎动物中最慢的。该团队还提出了一种机制来解释gar的永恒性:卓越的DNA修复机制。这种修复很可能保持了gar基因组的稳定，以至于最后一个共同祖先生活在1亿多年前的物种甚至属几乎没有分化，有些物种今天仍然可以杂交产生可存活的后代。

“这太神奇了，”没有参与这项研究的罗格斯大学进化发育生物学家Tetsuya Nakamura也说。“这篇论文对什么是活化石这个问题做了很多有趣的研究，但当我读到这篇文章时，我很震惊。”

为了了解几种假定的活化石是否比其他脊椎动物进化得更慢，研究小组收集了478个物种的1100多个外显子(基因组的编码区域)的公开序列。利用每个族群现有的家谱，他们创造了一个巨大的进化树。对于每个谱系，研究人员估计了所研究的外显子中每个DNA碱基随时间变化的速率——即所谓的替代率。

令人惊讶的是，他们发现并不是所有的活化石都停止了进化。腔棘鱼、象鲨和一种叫做hoatzn的鸟都被认为是古老的，它们的突变率比预期的要快，每个位点每百万年大约有0.0005个突变，尽管这仍然比两栖动物(每百万年0.007个突变)和胎盘哺乳动物(每百万年0.02个突变)的平均速度要慢。这一发现支持了这样一种观点，即一些仍然与它们的古代祖先相似的物种在分子水平上发生了变化。

但是，长着长长的、有牙齿的鼻子的淡水鱼鱼却不同:在几乎每个外显子中，鱼的分子取代率是最慢的，通常是几个数量级，平均每百万年每个位点只有0.00009个突变。事实上，大约2000万年前分化的两个属在几乎所有分析的位点上都有相同的序列——研究小组最初将这一发现归因于测序错误。“我进入这个项目时对使用活化石这个词持谨慎态度，”研究报告的合著者、耶鲁大学进化生物学博士生Chase Brownstein说。“但至少对孩子们来说，这是一个合适的术语。”

作者认为，由于基因的替代率在各个位点上似乎一直很低——包括在不太可能受到选择压力的基因组区域——这可能是一种推动缓慢替代的全球机制。他们认为，在DNA发生突变或损伤后，蜥蜴在修复DNA方面非常有效，即使在它们周围的大陆发生了变化，它们也不会进化。此前，其他研究人员也对鲟鱼提出了类似的假设，在研究中，鲟鱼的替代率在脊椎动物中排名第二。

伦敦大学学院的进化基因组学家Elise Parey说，DNA修复是“一个合理的假设，但可能不止一个解释”。例如，专家们指出，gar的代谢率较慢，繁殖时间较长，这些特征可能会降低突变率。gar还保留了染色体中DNA的排列，并抑制了所谓的跳跃基因的影响。跳跃基因在基因组中从一个地方移动到另一个地方时，会导致基因重组。“这不仅适用于序列变化，也适用于染色体进化，这将是一个有趣的探索途径，”Parey说。

为了验证他们的发现，作者对俄克拉何马州和德克萨斯州河流中可能是自然杂交的不寻常gar的报道进行了跟踪调查。他们分析了几十条这种鱼的组织样本，以追踪它们的祖先，发现两种黄鳝属——atractosteus和lepisosteus——正在杂交，产生可生育的杂交后代。这些群体最后一次拥有共同的祖先大约是在1.05亿年前，这使得它们的分裂成为能够产生可存活后代的真核生物中最古老的分裂。它们比之前的纪录保持者——两种蕨类植物——早了大约6000万年。(头脑敏锐的人可能会想起白鲟和鲟鱼的杂交品种——sturddlefish，它们在更早以前就分化出来了，但那些偶然的杂交品种很可能是不育的，不会自然发生。)

下一步将是证明gar的DNA修复机制确实导致了它们缺乏基因变化。通过给斑马鱼(一种标准模型动物)植入gar DNA修复基因，研究人员或许能够在实验室中观察这些基因的工作情况。Nakamura说:“这将是一个具有挑战性的实验，因为(DNA修复基因)是基本的，”对它们进行修补可能会产生意想不到的后果。

但作者表示，了解gar是如何保持如此低的突变率的，可能会带来比在分子水平上理解活化石更大的回报。它还可能帮助人类更好地了解我们自己的DNA修复途径，当它们失败时可能导致癌症。