用 4500 年的時(shí)間，它長(zhǎng)成了世界上最大的生物

這聽(tīng)起來(lái)可能很像科幻小說(shuō)，但一種神秘的超級(jí)生物正瘋狂地?cái)U(kuò)張地盤(pán)，且目前已成為世界上最大的生物體，其占地范圍已接近 200 平方千米。

鯊魚(yú)灣（Shark Bay）位于澳大利亞的最西端，有著全世界最大的海床（約 4800 平方公里）和最豐富的海草資源。此外，這里還擁有世界上最多的儒艮（海牛）種群以及世界上最古老的活化石 —— 疊層石（stromatolite）。疊層石形成于約 35 億年前，是由大量藻類(lèi)在生命活動(dòng)中將海水中的鈣、鎂碳酸鹽化，并將碎屑顆粒粘結(jié)、沉淀而形成的的硬質(zhì)圓形沉積物。其中含有世界上最古老的生命形式，但多發(fā)現(xiàn)為化石。然而，在鯊魚(yú)灣發(fā)現(xiàn)的疊層石中至今存在活的藻類(lèi)。這些世界之最，使得鯊魚(yú)灣在 1991 年被列為世界自然遺產(chǎn)。

世界上最大的生物

在鯊魚(yú)灣眾多的地理特征中，最大的海草平原無(wú)疑為當(dāng)?shù)刎S富的生物多樣性，提供了重要基礎(chǔ)。鯊魚(yú)灣中的海草品種就有多達(dá)十幾種，相比之下，其他海域多只有一到兩種海草分布。西澳大學(xué)（University of Western Australia）的進(jìn)化生物學(xué)家伊麗莎白?辛克萊（Elizabeth Sinclair）和同事多年來(lái)一直關(guān)注鯊魚(yú)灣的大型溫帶海草平原。

兩年前，他們?cè)诤２萜皆?10 個(gè)地點(diǎn)采集了海草的樣本，想探究這些海草在空間尺度上的遺傳差異。但讓他們驚訝的是，來(lái)自其中 9 個(gè)地點(diǎn)的樣本經(jīng)基因檢測(cè)證實(shí)是同一種植物 —— 澳洲海神草（Posidonia Australis）。而這些位點(diǎn)之間最遠(yuǎn)的距離達(dá)到了 180 千米。

今年 6 月，伊麗莎白帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào) B》（Proceedings of the Royal Society）上發(fā)表了關(guān)于澳洲海神草的研究。他們檢測(cè)了收集的海草樣本中約 1.8 萬(wàn)個(gè)遺傳標(biāo)記，結(jié)果顯示，這些海草樣本在遺傳學(xué)上是完全相同的。這也意味著，這一大片海草平原可能都是由同一株幼苗不斷自我克隆擴(kuò)展而來(lái)。澳大利亞弗林德斯大學(xué)（Flinders University）的馬丁?布雷德（Martin Breed）也參與了這項(xiàng)研究?；貞浧甬?dāng)時(shí)的情景，他說(shuō)，“我們?cè)谙搿@究竟是怎么回事？我們徹底被難住了?！?/p>

這種海草每年能向周?chē)蛹s 35 厘米，由此推斷，這片草甸需要約 4500 年才能擴(kuò)散到如今的規(guī)模 —— 跨越至少 180 千米，覆蓋面積達(dá)到 200 平方千米（約 2.8 萬(wàn)個(gè)足球球場(chǎng)）?！斑@是地球上已知最大的克隆體，”辛克萊說(shuō)道，“也可以說(shuō)是世界上最大的生物體。”

二倍體和多倍體

海草普遍棲息在海洋的海岸線(xiàn)和河流的入?？冢ǔ蠘O洲外），它們能通過(guò)開(kāi)花的方式進(jìn)行有性生殖（sexual reproduction），也能通過(guò)根莖的水平延伸來(lái)自我克隆，進(jìn)行無(wú)性生殖（asexual reproduction）。有性生殖形成的子代通常都會(huì)從親本植株那里各繼承一半的基因組。

而這項(xiàng)新研究的主角 —— 澳洲海神草，它的基因組極為特殊，它繼承了每個(gè)親本完整的基因組，是一個(gè)四倍體生物。而幾乎所有的高等動(dòng)物（包括人在內(nèi)），以及一半以上的高等植物都是含有兩組染色體的二倍體（diploid）。多倍體往往不育，無(wú)法進(jìn)行有性生殖，因此這種海草唯一的繁殖途徑就是自我克隆。

過(guò)去的研究表明，單株海草在不受干擾的環(huán)境下，可以無(wú)限度地克隆。目前全球共發(fā)現(xiàn) 4 個(gè)大型的海草克隆體，除了澳洲鯊魚(yú)灣的海草平原，另外三個(gè)分別位于地中海西部、波羅的海（Baltic Sea）以及美國(guó)弗洛里達(dá)州（Florida）印第安河瀉湖（Indian River Lagoon）。但是，在 3 個(gè)海草平原的海草中均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)多倍體的海草。也因?yàn)槿绱?，澳洲海神草?dú)特的多倍體特征引發(fā)了研究人員強(qiáng)烈的好奇 —— 為何這種海草能成為世界上最大的克隆體？為何只有鯊魚(yú)灣的海草是多倍體？在海草多樣化和擴(kuò)張中，多倍體是否發(fā)揮了獨(dú)特的作用？

極端環(huán)境下的多倍體

很久以前，鯊魚(yú)灣有著面積極廣且不受海浪影響的沙質(zhì)沉積物（sandy sediments，如沙洲），能為海草的克隆、生長(zhǎng)提供了淺而隱蔽的宜居環(huán)境。但從幾千年前開(kāi)始，由于生物作用，碳酸鹽沉積物（carbonate sediments）在這里不斷累積。沿海河岸開(kāi)始不斷升高，海水變淺，導(dǎo)致鯊魚(yú)灣的生態(tài)環(huán)境愈發(fā)極端 —— 溫度波動(dòng)大、光照水平和海水鹽度增加。此外，這里還缺乏植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素磷。研究人員意識(shí)到，鯊魚(yú)灣特有的環(huán)境造就了極端的環(huán)境壓力，這可能是導(dǎo)致澳洲海神草多倍體廣泛分布的原因。

研究人員利用基因分型方法檢查澳洲海神草多倍體的 DNA 序列，并與一些已有的澳洲海神草的基因序列對(duì)比，評(píng)估了鯊魚(yú)灣內(nèi)不同梯度下澳洲海神草種群的遺傳多樣性（genetic diversity，種群的遺傳差異）與遺傳結(jié)構(gòu)（genetic structure，種群遺傳差異的時(shí)空分布）。在采樣的 10 個(gè)地點(diǎn)中，只有一處發(fā)現(xiàn)了這種海草的二倍體祖先，它們的生長(zhǎng)范圍局限在一個(gè)區(qū)域內(nèi)。而在剩下的 9 個(gè)位點(diǎn)中都廣泛分布著澳洲海神草的二倍體祖先與另一種未知海草通過(guò)基因組雜交復(fù)制后形成的多倍體。

他們推測(cè)，8500 年前鯊魚(yú)灣海平面的快速上升，導(dǎo)致海草棲息地被洪水淹沒(méi)，可能對(duì)澳洲海神草二倍體祖先的影響很大。當(dāng)二倍體不能適應(yīng)愈發(fā)惡劣的環(huán)境壓力時(shí)，多倍體具有極高的環(huán)境適應(yīng)能力，能突破環(huán)境對(duì)二倍體的限制。這也說(shuō)明，多倍化可能是一種成功的進(jìn)化策略。全基因組復(fù)制不僅賦予多倍體更好的遺傳多樣性，也讓其具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。這種多倍體海草能夠進(jìn)入到新的、更惡劣的環(huán)境生長(zhǎng)，并通過(guò)不斷地自我克隆，進(jìn)而分布如此之廣。由此造就了如今我們所看到的這片壯觀(guān)的海草平原 —— 世界上已知最大的克隆生命體。

進(jìn)化的“加速器”

生物在環(huán)境壓力下進(jìn)行基因組復(fù)制來(lái)形成多倍體，從而提升遺傳多樣性和適應(yīng)性。這種情況并不只會(huì)發(fā)生在海草中。陸地上有很多植物物種以多倍體的形式在全球范圍內(nèi)廣泛分布，且在高緯度地區(qū)等極端環(huán)境下更為常見(jiàn)。相比于二倍體祖先，它們能適應(yīng)一些截然不同的環(huán)境和棲息地，這也顯示出多倍體的優(yōu)越性。

事實(shí)上，一些系統(tǒng)基因組學(xué)研究顯示，目前所有的被子植物（Angiospermae）都經(jīng)歷了至少一輪多倍化事件。而這些多倍化事件總是和全球氣候的劇變節(jié)點(diǎn)相關(guān)。例如，約 1.2 億年前，地球表面的溫度極高，當(dāng)時(shí)被子植物中一些主要的種群為抵抗高溫環(huán)境，都獨(dú)立地開(kāi)始多倍化，以增強(qiáng)環(huán)境的適應(yīng)能力。在多輪環(huán)境的刺激下，被子植物不僅提升了環(huán)境適應(yīng)性，更促進(jìn)了新物種生成和生物的多樣性。

可以說(shuō)，在環(huán)境的刺激下，野生植物出現(xiàn)基因組多倍化體是進(jìn)化的“加速器”。而在農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域，物種多倍化更像是一種馴化農(nóng)作物、培育新品種的重要工具。比如，我們?nèi)缃癯缘降臒o(wú)籽西瓜，正是人工培育的三倍體。

看到多倍化事件能為植物帶來(lái)諸多益處，不知是否有人會(huì)好奇，人類(lèi)能通過(guò)基因組加倍得以進(jìn)化嗎？事實(shí)上，多數(shù)高等動(dòng)物，尤其是人類(lèi)，由于基因組中遺傳信息量巨大，基本都是精密耦合的二倍體，容錯(cuò)性極差。這也意味著，一旦出現(xiàn)染色體加倍，總會(huì)伴隨著嚴(yán)重的后果。

比如，孕婦產(chǎn)前必做的唐氏篩查項(xiàng)目，正是為了檢查胎兒是否存在染色體異常，這可能會(huì)導(dǎo)致唐氏綜合癥（Down Syndrome）。這種癥狀也稱(chēng)為 21-三體綜合癥，指的是患者的 21 號(hào)染色體出現(xiàn)異常，可能是多一條染色體，還可能是染色體出現(xiàn)了異位或嵌合的情況，而患者通常表現(xiàn)為智力低下、免疫力低下和不育等。只是單一的一個(gè)染色體加倍，就可能導(dǎo)致人體畸變，若真發(fā)生整個(gè)染色體組加倍的情況，恐怕可能的結(jié)果是在出現(xiàn)后不久就消失了。

參考鏈接：

• https://www.smithsonianmag.com/smart-news/worlds-largest-plant-is-a-seagrass-that-clones-itself-180980189/

• https://phys.org/news/2022-06-world-largest-vast-seagrass-meadow.html

• https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/6/480129.shtm

• https://www.researchgate.net/publication/353773037_duobeihuahexunhua

• https://www.zju.edu.cn/2020/1009/c32861a2205607/pagem.htm

論文鏈接：

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2022.0538

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：環(huán)球科學(xué) （ID：huanqiukexue），撰文：不周，審校：clefable

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