為什么蠑螈可以拖著、畸形的身軀在地球上艱難延續2億年？

道格拉斯·福克斯將帶我們看看這些行動緩慢、畸形的動物如何應對殘酷的環境并為生存而奮斗，并在地球上生存了兩億年。 這也迫使我們重新思考進化規律。

道格拉斯·福克斯 編劇

翻譯|紅豬

Necturus lewisi 的生活節奏很慢。 這種棕色蠑螈大約有人手那么長，棲息在美國北卡羅來納州的河流中。 它們的“捕獵”方式是靜靜地躺在河床上，等待有昆蟲游過，然后沖上去吞掉獵物——這完全是一種下意識的反射行為。 紐斯河蠑螈一生都被困在水中。 它們就像超大的幼蟲，永遠無法完成變態（變態，兩棲動物和其他動物在個體發育過程中形態、結構和生理功能發生劇烈變化的過程）。 ）：它們的腿太小太弱，無法支撐身體，它們的腳趾還沒有完全長大，它們的上頜缺失，它們的脖子上仍然有兩個松軟的鰓。

關于紐斯河蠑螈和其他蠑螈的一個謎團長期以來一直困擾著科學家，直到現在才終于揭曉。 這些動物的奇特特征源于一種隱藏的負擔：它們的每個細胞都充滿了 DNA，其堿基含量是人類細胞的近 38 倍。

紐斯河蠑螈擁有地球上所有四足動物中最大的基因組。 大多數哺乳動物、鳥類、爬行動物和魚類的基因組大小略有不同，通常包含 5 億至 60 億個堿基對。 這些堿基對串在一起形成長鏈，形成基因，許多基因組成了動物的基因組。 然而，蠑螈基因組的大小差異很大，少則 100 億個堿基對，多則 1200 億個堿基對。 火蜥蜴的基因并不比其他動物多，但它們的基因組中充滿了寄生 DNA 片段，這些片段正在失控地擴增。 蠑螈龐大的基因組主宰著它們生活的方方面面，讓它們走上了一條極其緩慢的生存之路。 他們以不發達的身體、簡單的大腦、弱如紙袋的心臟艱難地生存，有時甚至能存活數百年。

或許正是因為這種沉重負擔的代價，火蜥蜴獲得了一種奇妙的能力：再生。 它們不僅可以再生四肢，還可以重新長出四分之一的大腦——這種能力非常有利于生存。

紐斯河蠑螈生活在水下，在地面上行動笨拙。 它們只在昆蟲碰巧游過時才捕獵。

擴展基因組

關于巨型基因組的問題是在幾十年前的一個重要時期提出的，當時生物學家剛剛開始將 DNA 識別為生命攜帶遺傳信息的分子。 研究人員最初認為，具有復雜身體結構的高等物種，例如包括人類在內的靈長類動物，應該攜帶更多的基因，因此擁有更大的基因組。

但到了1951年，美國洛克菲勒醫學研究所的阿爾弗雷德·米爾斯基（Alfred Mirsky）和漢斯·里斯（Hans Ris）推翻了這種刻板印象。 他們測量了數十種動物細胞DNA中的堿基對數量，驚訝地發現一些大鯢細胞的基因組中堿基對數量是人類、大鼠、鳥類和爬行動物的數十倍。 。

所有這些物種的 DNA 鏈都纏繞成香腸狀的結構，稱為染色體。 基因組較大的物種的染色體看起來也變大了，就像一個膨脹的香腸形狀的氣球，整個染色體似乎都點綴著額外的DNA。

幾十年來，對巨型基因組的搜尋一直進展緩慢。 科學家們孜孜不倦地對果蠅、線蟲和人類的整個基因組進行了測序，但他們大多避開了蠑螈，因為它的基因組太大，處理起來簡直是一場噩夢。 直到2011年，科羅拉多州立大學的進化生物學家Rachel Mueller才終于向前邁出了一大步。

米勒和同事發現了六種無肺蠑螈和美洲大鯢（Cryptobranchus alleganiensis）。 分析證實了人們的懷疑：蠑螈的基因組中充滿了轉座子。 無肺蠑螈和美洲大鯢的基因組中都存在許多相同的轉座子，這表明這些寄生DNA在2億多年前首先開始在所有現存蠑螈的祖先中不受控制地復制。

最終，這種額外的 DNA 深刻地改變了蠑螈的身體、大腦和心臟。 如果你觀察基因組最大的物種，你一眼就能看出它們在身體上有多么畸形。

蠑螈龐大的基因組賦予了它們嬰兒般笨重的身體，但也賦予了它們再生四肢甚至部分大腦的能力。

胚胎腦

巨大的基因組常常導致蠑螈成長為“巨嬰”。 在已知的 766 種蠑螈中，超過 39 種完全無法從水生幼蟲成長為能夠在陸地上生活的成蟲。 像紐斯河蠑螈一樣，它們有幼蟲的鰓和脆弱的四肢，一生都被困在水中。

他們中的許多人還缺少腳趾，因為他們的四肢從未完全發育。 紐斯河蠑螈的后腳只有 4 個腳趾（大多數蠑螈有 5 個）； 兩棲蠑螈屬的物種每只腳只有 1 至 3 個腳趾； 而生活在美國東南部的海妖科物種甚至沒有后腿。

這些發現是兩位科學家合作的結果，他們是加州大學伯克利分校的著名蠑螈生物學家大衛·韋克（David Wake）和德國不來梅大學的博士生格哈德·羅爾（Gerhard Rohr）。 特別（格哈德·羅斯）。 他們發現蠑螈的大腦大多比青蛙的大腦簡單。 用維克的話說，蠑螈的腦神經細胞是“胚胎”：更大、更圓、分化程度較低。

在這些現象中，羅特驚訝地發現了一個普遍模式：蠑螈大腦中缺失的特征是在發育后期產生的。 似乎動物們都在爭分奪秒地讓它們的大腦成熟。 這種模式很容易解釋，因為另一位科學家碰巧發現了蠑螈龐大的基因組與其緩慢發育之間的聯系。

斯坦利·塞辛斯現在是美國哈特威克學院的名譽教授。 他曾是韋克的學生（本文中的幾位專家也是如此），正在研究蠑螈再生四肢的特殊能力。 塞申斯切斷了 27 種無肺蠑螈的右后腿，并計算了它們再生的速度。 這些動物的基因組含有130億至740億個堿基對，是人類的4至24倍。 果然，他發現基因組較大的物種再生失去的肢體的速度更慢。 它們的未成熟細胞需要更長的時間才能分化成肌肉或骨骼等特殊組織。

Wake、Rotter和Sessions的研究還為理解另一個問題提供了基礎基礎，這就是為什么擁有最大基因組的蠑螈會失去腳趾、后腿甚至變態的能力——它們“龐大”的基因組會減慢并阻礙許多動物的進化。發展過程。 人們認為蠑螈發育遲緩的原因很簡單：基因組越大，復制所需的時間越長，因此細胞分裂得更慢。 但到了 2018 年，基因組學的里程碑式進展讓科學家們開始批判性地思考這個問題。

那一年，研究人員首次發表了墨西哥蠑螈（Ambystoma mexicanum）完整的蠑螈基因組數據。 這種動物可以長到幾乎與人類前臂一樣長，擁有鉛筆般細的腿、絨毛狀的鰓和其他幼蟲特征，但它的基因組“只有”320億個堿基對，比比尼奧斯河蠑螈的1180億個堿基對要少得多。 這項研究指出，墨西哥鈍口螈的轉座子并非簡單地分散在基因之間，而且還大量存在于基因內的內含子區域。

這個小細節會產生巨大的差異。 當一個基因表達時，它的整個 DNA，包括內含子序列，必須被復制到 RNA 鏈中。 然后，必須先將內含子修剪掉，然后才能將 RNA 鏈用作模板來生產可指導細胞發育的蛋白質。 墨西哥蠑螈的內含子序列比人類的內含子序列長 13 倍，因為它充滿了轉座子。 結果，它們的RNA需要更長的時間才能產生，細胞分化的指令也需要更長的時間才能生效，以至于用塞申斯的話來說，蠑螈“永遠不會真正長大”。

除了發育緩慢之外，基因組過大還有另一個重大影響。 盡管科學家在 150 多年前就偶然發現了這一現象，但直到現在才認識到其重要性。

紙袋心

19世紀初，一位名叫喬治·格列佛的英國軍醫在追求自己的興趣的同時，周游世界。 無論走到哪里，他都會采集當地物種的血液樣本，在顯微鏡下檢查，并測量其中的紅細胞。 格列佛發現了迄今為止已知最大的紅細胞，屬于三趾兩棲動物蠑螈（Amphiumatridactylum），這種動物的四肢已退化且極小，看起來像鰻魚。 它的紅細胞比人類大300倍。 體型僅次于三趾兩棲動物的是一些蠑螈和一種肺魚。

我們現在知道細胞大小和基因組大小密切相關：DNA 越多，細胞越大。 為了容納大細胞，有些蠑螈直接長出巨大的身體。 例如，中國大鯢（Andriasdavitianus，俗稱大鯢）可以長到1.8米長。

巨大的蜂窩積木也會堆砌出一個結構相對簡單的軀??體。 想象一下，您正在建造兩輛相同的玩具車，一輛使用較小的積木，另一輛使用較大的積木。 如果汽車的尺寸是固定的，那么由更大的磚塊組裝而成的整體結構會更簡單、更有棱角——對于蠑螈的身體來說似乎也是如此。

20 世紀 80 年代，現就職于哈佛大學的詹姆斯·漢肯 (James Hanken) 發現了這一原理的經典例子。 當時，漢肯正在研究托里烏斯的腕骨“骨頭”（實際上是未硬化的軟骨）。 這些物種是世界上最小的蠑螈，它們生活在墨西哥的山區和森林中。 有些非常小，可以裝在一枚硬幣上。 數十種密切相關的鶇屬物種都擁有相同的八塊腕骨，盡管它們已經單獨進化了數百萬年。 但漢肯發現，在Solirax中，這八塊祖先腕骨是部分融合的。 更引人注目的是，即使在同一物種內，這些骨頭的排列也可能有所不同。 有些人只有4塊腕骨，有些人有7塊。有些人甚至左右手腕的骨頭排列不同。 漢肯說這種差異是“非同尋常的”。 他認為，由于Soliris的身體較小，細胞較大，因此在胚胎階段沒有足夠的細胞來形成腕骨。

米勒和她的博士生邁克爾·伊特根被漢肯的結論所吸引，即大細胞會導致身體結構簡化。 但兩人想知道這是否真的對這些動物產生任何影響。 2019 年，他們啟動了一項雄心勃勃的研究項目，旨在揭示細胞大小的差異如何影響心臟結構。 他們研究了 9 種無肺蠑螈，它們的基因組有 290 億到 670 億個堿基對。

肺蠑螈沒有肺，通過皮膚呼吸。 而且它們只有一個心室，而不是像哺乳動物那樣有兩個心室。 當伊特根在顯微鏡下觀察時，他驚訝地發現無肺蠑螈的心室有多么特殊。 在基因組非常小的物種中，心室壁厚且肌肉發達，心室腔內只留下很小的空間供血液流過。 隨著基因組變得越來越大，它們的心室變得越來越空心，周圍的肌肉壁變得越來越薄。 在基因組最大的物種中，心室是一個空袋，僅被一層肌肉薄膜包圍，有時薄如單層細胞。

伊特根不確定為什么基因組越大，心臟就越空心。 他推測，基因組較大的物種的心室可能需要更多的空間來容納較大的血細胞，而血細胞的大小會影響血液的粘度。 或者可能是因為細胞在發育過程中分裂得不夠快，它們的心臟缺乏肌肉并變得空心。

無論如何，這種“粗制濫造”的結構都會付出慘重的代價。 科羅拉多州立大學研究心臟生理學的亞當·奇科 (Adam Chicco) 發現，薄薄的、紙袋狀的心室與嚴重心力衰竭患者的心室相似：心肌細胞較少，心室壁被拉伸，使其無法正常工作。更薄。 ，心臟泵血的能力變得越來越弱。

如果火蜥蜴是人的話，那它早就到了鬼門關了。 Wake 在 2020 年告訴我：“擁有龐大的基因組在各個方面都會帶來高昂的成本。”然而蠑螈已經生存了 2 億年。 “所以這肯定有一些好處，”他補充道。 在尋找這些“好處”的過程中，科學家們取得了一些令人驚訝的發現，這些發現挑戰了傳統觀念，并可能顛覆我們對進化論的理解。

難以理解的扭曲

韋克在 2020 年與我交談過兩次。他于 2021 年 4 月去世。但在他去世之前，他和塞申斯終于深入了解了他們幾十年來一直在追求的一個問題：他們提出了一個理論，解釋了蠑螈和肺魚如何從它們的巨型魚中受益。基因組。 該理論源于一項大膽的實驗。

塞申斯和他的本科生尤里·馬塔耶夫麻醉了幾只火焰蠑螈（Notophasemus viridescens），然后剝開它們薄薄的頭骨，取出每只火蠑螈的腦組織。 近四分之一的人大腦中負責氣味的區域被移除。 蠑螈在被切斷后很容易重新長出腿，但塞申斯想測試這種再生能力的極限。 果然，“六周內，他們的腦組織就長回來了。” 塞申斯說道。

該實驗表明，蠑螈即使失去了自然界中通常不會失去的部分，也可以啟動再生。 這違背了進化的基本原理——某些能力的出現是由環境壓力驅動的。 塞申斯推測，蠑螈進化出再生能力的部分原因可能是為了應對外部壓力，但它們龐大的基因組幫助它們增強了再生能力，并最終將這種能力轉化為有益的“副作用”。 ”。

韋克和塞申斯的理論表明，遺傳物質中的“寄生蟲”深刻地改變了蠑螈的生物學特性。 許多長壽物種，包括人類，都會限制發育完成后留下的干細胞數量，這是一種進化權衡，目的是減少長期存在的不受控制的細胞分裂可能導致癌癥的風險。 另一方面，蠑螈擁有更多的干細胞，而且它們的干細胞受到的限制要少得多。

韋克和塞申斯的理論不一定能完全解釋蠑螈為何能夠耐受大基因組。 雖然如果在最不幸的情況下失去肢體的話能夠再生肢體會很方便，但蠑螈每天仍然必須與畸形的心臟、大腦和身體一起生活。 2021 年中，米勒、伊特根和漢肯進行了一次對話，他們推測在這種看似矛盾的情況下可能存在一個令人驚訝的真相。

三個人呼吁 Zoom 討論空心心臟可能對蠑螈生存的影響。 “我的觀點很極端。” 漢肯說，也許一顆空心的心“根本沒有任何作用”。

盡管這個想法聽起來很奇怪，但米勒和伊特根認為這是有道理的。 蠑螈生長和移動都很緩慢。 在迄今為止發現的所有脊椎動物中，它們的代謝率和氧氣需求量是最低的。 伊特根和米勒研究的無肺蠑螈甚至沒有肺。 伊特根說，也許蠑螈能夠忍受空心心室，“因為它們對心臟功能的要求很低”。

事實上，當塞申斯進行再生實驗時，他切除了12只火焰蠑螈的一半心室（成年兩棲動物的心臟只有一個心室）。 蠑螈噴出血液，心臟停止跳動，但它們活了下來并長出了新的心室，這表明它們可能不像哺乳動物那樣依賴心臟。

紐斯河蠑螈可以通過鰓呼吸來補償其較弱的心肺功能。 盡管體內充滿了垃圾DNA，這只蠑螈還是找到了生存之道。

火蜥蜴似乎也沒有為它們奇怪的骨骼付出代價。 漢肯認為，孤寂者能夠忍受原始的腕骨，因為這些動物體型很小，對關節的壓力最小。 Soliris也不需要獵豹設計復雜的四肢，因為它們不追逐獵物，只是靜靜地躺著等待昆蟲經過。

羅特補充說，由于火蜥蜴只需要等待獵物來到它們身邊，它們的整個視覺系統就可以被簡化。 最極端的例子就是歐洲和美洲的Bolitoglossa。 由于大腦的簡化，它們失去了50%到90%的視覺神經元，因此它們無法區分爬行的昆蟲和滾過的閃亮金屬球。 然而，蹼足蠑螈擁有地球上速度最快的舌頭之一，韋克說它們就像“帶著上膛的槍行走”，可以在短短幾毫秒內擊中昆蟲。

如果你也有這樣的舌頭，如果你不需要視力好，如果你能長時間蹲著，你的身體就會減輕很多壓力，那么你也可以只擁有一個簡化的大腦和一個空虛的心和一個一些奇怪的腕骨。 “這并沒有什么壞處，”米勒說。 “這真是太深奧了。”

當您看到紐斯河蠑螈時，很容易對它產生同情心。 發育緩慢不僅阻止其變態，還可能阻止成年個體再生斷肢，這是一個殘酷的諷刺。 由于無法穿越干燥的土地，蠑螈被隔離在北卡羅來納州的兩條小河流系統中。 農業和發展使這里的水質惡化。 2021年6月，美國政府將種群數量不斷減少的紐斯河蠑螈列為“受威脅”物種。 盡管蠑螈群體已經存在了2億年，但我們不禁認為紐斯河蠑螈龐大的基因組已經將其推向了滅絕的邊緣。

塞申斯不太確定。 這些臃腫的生物一次又一次證明，在適者生存的問題上，我們對“適者生存”的理解總是有偏差的，優先考慮的是力量和敏捷。 基因組中的寄生蟲減緩了紐斯河蠑螈的發育，拉伸了它的細胞并扭曲了它的身體。 這種不尋常的情況將動物推上了一條奇怪的進化道路，“適者生存”被重新定義，強大的心臟和復雜的大腦成為次要考慮因素。 火災、洪水和小行星撞擊消滅了那些覆蓋著皮毛、羽毛和鱗片、適應性更強的物種，但不知何故，紐斯河蠑螈卻活了下來。

“這些蠑螈，”塞申斯說，“是頑強的幸存者。”

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