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海洋科普(1706) 研究发现:快速进化可促使鱼类更易应对全球海
发布时间:2022-05-01        浏览次数: 次        

  原标题:海洋科普(1706) 研究发现:快速进化可促使鱼类更易应对全球海洋持续酸化

  由香港大学(港大)生物科学学院及太古海洋科学研究所Celia SCHUNTER博士率领的研究团队,与其来自澳洲、法属新喀里多尼亚和日本的研究伙伴,发现不同鱼类在海洋酸化的环境下基因转录的共同特性与差异——其中的一种鱼可凭借其快速进化后的分子转录调控机制去应对未来海洋恶化的酸化环境。相关研究刚于学术期刊《全球变化生物学》(Global Change Biology)中发表。

  随着人类活动所产生的二氧化碳(carbon dioxide,CO2)排放量逐年递增,海洋所吸收的二氧化碳也随之持续上升。科学家预期全球海洋表面的 pH 值将因此下降,此过程称之为海洋酸化。逾十载的实验研究告诉我们,海洋酸化或会影响某些鱼类的生理、生长和存活,以及一些影响生存几率的关键行为。为了探究酸化环境对鱼类的影响,以及鱼类到底是否可以适应酸化环境,研究人员特地远赴地球的另一端 — 巴布亚新畿内亚(Papua New Guinea),通过研究该地火山渗溢高二氧化碳分压(pCO2, partial pressure of carbon dioxide,溶解于水中的二氧化碳)下鱼类的分子转录变化,来预测野生鱼类是否可以应对不断酸化的海洋环境。当今人类活动导致周围环境经常产生变化,因此预测环境变化对海洋生物的影响及优化生物保护和管理非常关键。研究结果显示,一些进化速率较快的鱼类可能更能灵活地应对海洋酸化,因而可更容易去维持种群数量和多样性;而那些进化速率较慢的鱼类的种群数量和多样性,在酸化环境中则更加难以维持。

  某些野生珊瑚鱼类如多刺棘光鳃鲷拥有一套易塑的分子表达机制,从而具备适应未来海洋的酸化环境的能力。

  作为酸化研究的天然实验室,火山底部的二氧化碳渗溢处会不断冒出二氧化碳从而酸化周围的海水,这种酸化程度与预测中本世纪末的海洋酸化程度类似,甚至更加严重。研究团队在巴布亚新畿内亚其中的一个二氧化碳渗溢处 (pH 7.77, pCO2 846 µatm)和附近约500米的一个珊瑚礁(不受二氧化碳渗溢影响的正常环境:pH 8.01, pCO2 443 µatm)中采集了六种珊瑚鱼类样本,包括五种雀鲷鱼(damselfish)和一种天竺鲷鱼(cardinalfish)。通过提取这些鱼类的脑组织进行转录组测序,从而获知海洋酸化环境下的鱼类分子转录变化。这六种鱼类都是常见的珊瑚鱼,但这些鱼也存在亲代哺育和昼夜活动上的差异,因此研究的发现也可以应用推广至其他具有类似生活习性的鱼类。

  研究结果显示,高二氧化碳分压可导致好几种鱼类在生理时钟和免疫功能相关的基因产生转录变化,这表明生理时钟和免疫功能在鱼类应对酸化环境的过程中扮演了重要的角色。这些昼夜节律的核心基因可以决定大部分物种24小时的循环运作,当这些基因的表达发生变化,大脑中的其他基因的表达也会随之改变,此改变可能会让鱼类更加灵活地应对酸化环境。多种鱼类在酸化环境中都曾被发现过跟免疫相关的调节,因此免疫反应的调节可能也是应对酸化的重要手段。值得一提的是,在夜间活动的鱼类表现出更大比例的免疫调节,而且其调节方向与日行性鱼类相反。

  多刺棘光鳃鲷(Acanthochromis polyacanthus)是一种小的雀鲷鱼,这种鱼在二氧化碳溢渗处的酸化环境下可以控制相关基因的表达去调节细胞内部的pH。研究人员原本认为未来在本世纪末的高二氧化碳分压对大部分鱼类都不会有多大的影响,因为鱼类知道如何去调控pH。但是研究人员后来发现这些鱼类的许多基因在酸化环境中都产生了变化,尤其是多刺棘光鳃鲷。对于这种大量基因发生表达变化的鱼类,如何调控大脑细胞的变化显得尤为重要。

  功能正常的大脑需要钾、钠、氯和钙离子的运输来保持信号的传播。研究人员发现这些离子转运基因的表达在二氧化碳溢渗处的多刺棘光鳃鲷中也发生了大量的变化,这表明了鱼类脑部的信号传递需要相应的改变以应对酸化环境。有趣的是,在酸化高二氧化碳分压环境下,这种鲷鱼发生的基因表达差异会在压力降低时消失,基因从而恢复到正常的表达水平。研究人员在采样过程中曾遇到一整天的暴雨,给采样带来极大的困难却也带来了令科研人员兴奋的发现,暴雨下的风可以将二氧化碳渗溢的高二氧化碳分压海水吹向旁边低浓度的海域,渗溢处的高二氧化碳分压因此会暂时降低150-200 µatm。通过对暴雨之后对此鱼的基因表达分析,发现暴雨之后其基因表达与正常二氧化碳分压下基因的表达水平几乎一致,这表明多刺棘光鳃鲷可以灵活调节基因表达以应对快速变化的pH。

  团队进一步的研究发现,相对于其他鱼类,这种雀鲷鱼在近1,500万年来的进化速率明显更快,这可能会让此鱼具有更大的潜能去适应环境改变。值得一提的是,某些与高二氧化碳分压环境调节相关的基因,例如细胞内部pH调节基因、昼夜节律的核心基因和离子运输相关基因,其进化速率也要比其他鱼类明显更快,这也导致了此鲷鱼相对于其他鱼类出现了更多基因表达上的差异。因此,研究人员推断多刺棘光鳃鲷可能拥有已进化的分子机制去应对未来的海洋酸化环境。此研究发现某些野生珊瑚鱼类拥有一套易塑的分子表达机制,从而具备适应未来海洋的酸化环境的能力。

  为什么某些鱼类在酸化环境会更加挣扎,某些鱼类则不会?这次团队在地球另一端对二氧化碳渗溢的探索让科学界有机会了解高二氧化碳分压环境下的鱼类的生活状况,同时释除了一些疑惑,Schunter博士解释说:「我们可以看到一些进化速率较低的鱼类,因不能够灵活地应对高二氧化碳环境而表现得更为挣扎。」

  「进化速率快的鱼类具有更加灵活的方式去应对酸化,这会有助它们维持种群数量和多样性。但是酸化对于进化较慢的鱼类则是一种严峻的考验,特别是当pH降低到它们不能维持细胞内部的酸碱平衡之时。之前我们不理解为什么有的鱼类在酸化环境中表现挣扎,有的则不会。理解为什么有的鱼是「成功者」,有的则是「失败者」对保护鱼类非常重要,亦可帮助保护那些进化速率较低的鱼类,因为这些鱼不能够维持酸碱平衡以应对酸化带来的挑战。」Schunter博士补充说。

  这项研究发现了某些野生鱼类通过快速进化,天生便具备了相应的分子机制来应对酸化环境。Schunter博士团队的下一个目标将会是研究其他的生态系统中是否也存在类似的现象。同时,此次研究表明如果环境继续酸化,对于一些进化慢的鱼仍然是一种威胁。因此,减缓全球海洋环境的pH对于维持鱼类多样性非常关键。