兩種熊貓的基因學研究闡釋了自然選擇的進程

來源：經濟學人

時間：January 21，2016

對於大自然提出的難題，不同的物種獨立進化出相同的解決方案，這就是趨同演化（convergent evolution），也是生物學家關注的焦點。然而，對於此種現象，其基礎遺傳學原理從未被大力研究過，特別是「在兩條趨同演化線路（convergent lines）上，多久發生一次相似突變」以及「不同的遺傳學因素對動物的形態和機能產生相似影響的頻率是多大」在以前從未得到過解決。但現在，這種情況發現了改變，科學家對兩種共享同一遠古祖先的動物進行了研究，這兩種動物擁有同樣不同尋常的食性、同樣不同尋常的解剖學特徵（anatomical feature）以及同樣不同尋常的名字：熊貓。

一種是大熊貓，一種是小熊貓。大熊貓是一種黑白相間的熊。小熊貓是紅色熊，是鼬、浣熊和臭鼬的近親。大熊貓的棲息地位於中國南方的群山峻岭間，而小熊貓則主要分布於中國南方及與中國接壤的地區內，兩者的棲息地重疊，但是它們最後一個共同的祖先是生活在4300萬年以前。儘管大熊貓和小熊貓存在少量的親緣關係，但它們與狗、貓、鬣狗、貓鼬和海豹等一樣，都屬於食肉目哺乳動物。這非常令人難以置信，因為現在的大熊貓和小熊貓都是素食動物。

更為有趣的是，兩種動物都幾乎完全以竹子為生（一些詞源學家認為兩種動物的名字都是來源於尼泊爾語nigalya ponya，意為「食竹子的動物」）。最奇怪的是，它們的前爪都是六指——從腕部的一塊骨頭那兒延伸出一根輔指（ancillary thumb），便於熊貓握竹子吃。中國科學院動物所的胡一波（音譯）博士及其同事從兩者的這些共同特徵中受到啟發，猜測這兩種吃素的食肉動物擁有這些相同的特徵或許是因為發生了相同的基因突變。胡博士將其觀測結果發表在了《美國國家科學院院刊》上。

為了找尋兩種熊貓的基因學共通性（genetic commonalities），胡博士和他的同事將兩種熊貓的DNA與其他四種食肉動物的DNA進行了對比，這四種食肉動物分別是大熊貓的近親北極熊、小熊貓的近親雪貂以及既不是大熊貓近親也不是小熊貓近親的老虎和狗。他認為，如果大小熊貓擁有相同的DNA特徵，但是卻與四種對照組的動物不同，那麼很可能大小熊貓近期的這些共同的適應性進化是源於同樣的DNA特徵。

研究小組在大小熊貓中一共鑒定出了70個有共享DNA鹼基對的基因（哺乳動物大約擁有20000個基因）。他們也在大小熊貓中發現了10個因嚴重突變（crippling mutations）而變得缺陷的基因，但四種對照動物中並沒有類似發現。很顯然，兩種熊貓擁有的這些相同的基因學特徵，並不完全對應於兩者共同擁有的特徵，但有一些是對應的。這裡可以分為三種情況：基因影響解剖學結構，基因影響動物食性，基因影響營養物質的消化和代謝。

*DNA序列上的鹼基對有四種類型，最小可以用兩個bit（0和1）來表示，再利用ATGC進行編碼

與解剖學結構相關的適應性進化，似乎控制著熊貓第二根指頭的發育。尤其是DYNC2H1基因和pericentrin基因的變異，使兩種熊貓的基因編碼蛋白產生了相同的變化。在老鼠體內，這些基因的變異已經被證實會刺激老鼠長出額外的指頭，所以合理猜測「熊貓體內也發生了這樣的基因變異」。

大小熊貓的食性之所以會變化涉及一種缺陷基因（disabled genes）。這種特別的基因會編碼一種蛋白質，這種蛋白質是舌頭味蕾感知鮮味的關鍵組成成分——鮮味是從甜酸苦咸四味中分離出來的一種咸口「肉味」。蛋白質由20種氨基酸組成，其中一種就是能刺激鮮味的谷氨酸，但是谷氨酸只能從動物蛋白中攝取，無法從植物蛋白中攝取。對於食肉動物而言，擁有對鮮味敏感的味蕾十分有用，但是對於食草動物而言，鮮味味蕾是不必要的，甚至可能是有害的。

根據胡博士的記錄，另外一種基因趨同現象與熊貓消化代謝竹子中的稀缺成分有關。胡博士團隊認為，將賴氨酸和精氨酸從蛋白質中分解出來的三種消化酶對應的基因同時發生了變異。賴氨酸和精氨酸在動物肉中都很充足，但是在竹子中卻很短缺。研究團隊也認為，編碼維他命A、維他命B12代謝蛋白和花生烯酸（一種對身體機能非常必要的脂肪）代謝蛋白的四種基因也同時發生了變異。這些蛋白質在竹子中都非常稀缺。觀察到的這些基因變異如何精確地改變有關蛋白的有效性，仍有待商榷。但是科學家猜測，基因變異將能加強有關營養的利用率。

胡博士得到的結論是，兩種熊貓似乎確實是因為擁有類似的遺傳基因所以擁有相似的特徵。坦白講，對比從不同的遺傳路徑取得相同的遺傳特徵，更容易發現它們是藉由相似的遺傳路徑取得相同的遺傳特徵。但是胡博士確定，至少在熊貓的情況中，它們是藉由相同的自然選擇路徑獲得?相同的遺傳特徵。

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