加拉帕戈斯鸕鶿如何喪失飛行能力

加拉帕戈斯鸕鶿 圖片來源：yahoo.com

位於加拉帕戈斯群島最西端的費爾南迪納島是一片處於原始狀態的區域。它還經常被使其水域沸騰的熔岩流淹沒。不過，這並未阻止一種奇怪的鳥類在費爾南迪納島安家：全世界唯一一種不會飛行的鸕鶿。如今，一項最新研究通過患有各種罕見骨骼疾病的人類同樣擁有的幾十個異常基因，就這種有著短粗翅膀的海鳥如何失去飛行能力提出了解釋。

對於大多數鳥類來說，不會飛是一個嚴重問題。不過，正如查爾斯·達爾文在其著名的加拉帕戈斯群島之行中所推斷的，隔離會讓具有這種表面看上去是劣勢的物種生存壯大。對於現代科學家來說，最大的問題在於諸如不會飛行的鸕鶿等動物起初是如何變成這個樣子的。和5000餘萬年前便進化成不會飛行狀態的企鵝、鴕鳥、鷸舵、鴯鶓不同，加拉帕戈斯群島鸕鶿僅在200萬年前才同會翱翔的近親「背道而馳」。這種年代更近的分離意味著，將在高空飛行的鸕鶿和在陸地行走的笨拙近親區分開來的遺傳變異相對較少。

美國加州大學洛杉磯分校遺傳學家Leonid Kruglyak在尋訪了加拉帕戈斯群島后，開始研究不會飛行的鸕鶿是如何進化的。由於Kruglyak並未找到和這種體型巨大的鳥類相關的確鑿研究，因此他著手測序鸕鶿的DNA。利用的樣本來自密蘇里大學生態學家Patricia Parker的實驗室以及聖路易斯動物園。Parker和她的團隊在加拉帕戈斯群島上呆了好幾年，睡在戶外，利用改裝的漁船開展工作，最終從該島上的動物中收集了2萬餘份血液樣本。隨後，Kruglyak團隊將加拉帕戈斯群島鸕鶿的DNA同其他3種相關鳥類——雙冠鸕鶿、新熱帶區鸕鶿和海鸕鶿的DNA進行了比對。

由於很多發育基因承擔了多重角色，因此Kruglyak團隊推斷，導致鸕鶿不會飛行的遺傳因素不可能在造成致命性後果的蛋白突變中找到。相反，他們開始在被稱為非編碼區的基因之間大量的DNA片段中尋找不規則形態，以期發現關於相同基因可能如何受到不同調控的線索。

不過，這一比對並未產生結果。因此，他們又重新轉向編碼區——產生蛋白的基因，以尋找可能改變蛋白正常運轉能力的突變。他們在加拉帕戈斯群島鸕鶿中發現了約幾十個突變基因。研究已證實，這些基因會在人類中引發被稱為纖毛類疾病的罕見骨骼疾病。該疾病通常的特徵是顱骨畸形、四肢過短、胸腔較小。由於加拉帕戈斯群島鸕鶿擁有較短的翅膀和小到不正常的胸骨，因此研究人員懷疑，這種關聯是明顯的。他們在日前出版的《科學》雜誌上報告了這一發現。

人類所患的纖毛類疾病源自影響纖毛的基因突變。此類纖毛是像頭髮一樣的延長物，被用於在控制脊椎動物發育的細胞間傳遞化學信息。當這些信號失去平衡，身體會以一種可見的異常方式生長。Sensenbrenner綜合征便是一個例子。這是一種罕見疾病，據報道只有幾十名患者，特徵是頭骨變長、四肢和手指短小、胸腔狹窄且存在呼吸系統問題。同Sensenbrenner綜合征相關的Ift122基因，在加拉帕戈斯群島鸕鶿體內發生了類似突變。另一個負責纖毛產生的Cux1基因似乎在鸕鶿長出笨拙的翅膀上發揮了一定作用。

接下來，研究人員將Ift122和Cux1付諸試驗。他們把突變的Ift122基因插到利用纖毛探測周圍環境的土壤蛔蟲體內。和正常的同類相比，由於纖毛功能失靈，發生突變的蠕蟲結成一團，而不是分散在培養皿環境中。當他們把來自鸕鶿的Cux1基因插入在培養皿中生長且產生軟骨的小鼠細胞中，這些細胞出現了發育不良。

不過，Kruglyak表示，這些基因同不會飛行之間的關聯仍是一個假設。「理想的試驗是讓一隻加拉帕戈斯群島鸕鶿會飛行或者讓另一隻鸕鶿無法飛行。」Kruglyak說，有一天這或許能通過像CRISPR基因編輯一樣的工具實現。「隨著技術不斷改善，我們可以測試鳥類體內的這些基因突變並且觀察翅膀的發育情況。」

「這項研究很重要且激動人心，因為它為不能飛行可能是如何進化出來的提供給了一種新機制。」蒙大拿大學生物學家Natalie Wright表示，大多數研究人員懷疑，導致鳥類在向成年過渡時仍保留了幼年特徵的改變造成了飛行能力的喪失。加拉帕戈斯群島鸕鶿——笨拙的翅膀使其像一隻過度生長的幼鳥——便是一個絕佳例子。（宗華編譯）

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