为什么蝾螈可以拖着、畸形的身躯在地球上艰难延续2亿年？

道格拉斯·福克斯将带我们看看这些行动缓慢、畸形的动物如何应对残酷的环境并为生存而奋斗，并在地球上生存了两亿年。 这也迫使我们重新思考进化规律。

道格拉斯·福克斯 编剧

翻译|红猪

Necturus lewisi 的生活节奏很慢。 这种棕色蝾螈大约有人手那么长，栖息在美国北卡罗来纳州的河流中。 它们的“捕猎”方式是静静地躺在河床上，等待有昆虫游过，然后冲上去吞掉猎物——这完全是一种下意识的反射行为。 纽斯河蝾螈一生都被困在水中。 它们就像超大的幼虫，永远无法完成变态（变态，两栖动物和其他动物在个体发育过程中形态、结构和生理功能发生剧烈变化的过程）。 ）：它们的腿太小太弱，无法支撑身体，它们的脚趾还没有完全长大，它们的上颌缺失，它们的脖子上仍然有两个松软的鳃。

关于纽斯河蝾螈和其他蝾螈的一个谜团长期以来一直困扰着科学家，直到现在才终于揭晓。 这些动物的奇特特征源于一种隐藏的负担：它们的每个细胞都充满了 DNA，其碱基含量是人类细胞的近 38 倍。

纽斯河蝾螈拥有地球上所有四足动物中最大的基因组。 大多数哺乳动物、鸟类、爬行动物和鱼类的基因组大小略有不同，通常包含 5 亿至 60 亿个碱基对。 这些碱基对串在一起形成长链，形成基因，许多基因组成了动物的基因组。 然而，蝾螈基因组的大小差异很大，少则 100 亿个碱基对，多则 1200 亿个碱基对。 火蜥蜴的基因并不比其他动物多，但它们的基因组中充满了寄生 DNA 片段，这些片段正在失控地扩增。 蝾螈庞大的基因组主宰着它们生活的方方面面，让它们走上了一条极其缓慢的生存之路。 他们以不发达的身体、简单的大脑、弱如纸袋的心脏艰难地生存，有时甚至能存活数百年。

或许正是因为这种沉重负担的代价，火蜥蜴获得了一种奇妙的能力：再生。 它们不仅可以再生四肢，还可以重新长出四分之一的大脑——这种能力非常有利于生存。

纽斯河蝾螈生活在水下，在地面上行动笨拙。 它们只在昆虫碰巧游过时才捕猎。

扩展基因组

关于巨型基因组的问题是在几十年前的一个重要时期提出的，当时生物学家刚刚开始将 DNA 识别为生命携带遗传信息的分子。 研究人员最初认为，具有复杂身体结构的高等物种，例如包括人类在内的灵长类动物，应该携带更多的基因，因此拥有更大的基因组。

但到了1951年，美国洛克菲勒医学研究所的阿尔弗雷德·米尔斯基（Alfred Mirsky）和汉斯·里斯（Hans Ris）推翻了这种刻板印象。 他们测量了数十种动物细胞DNA中的碱基对数量，惊讶地发现一些大鲵细胞的基因组中碱基对数量是人类、大鼠、鸟类和爬行动物的数十倍。 。

所有这些物种的 DNA 链都缠绕成香肠状的结构，称为染色体。 基因组较大的物种的染色体看起来也变大了，就像一个膨胀的香肠形状的气球，整个染色体似乎都点缀着额外的DNA。

几十年来，对巨型基因组的搜寻一直进展缓慢。 科学家们孜孜不倦地对果蝇、线虫和人类的整个基因组进行了测序，但他们大多避开了蝾螈，因为它的基因组太大，处理起来简直是一场噩梦。 直到2011年，科罗拉多州立大学的进化生物学家Rachel Mueller才终于向前迈出了一大步。

米勒和同事发现了六种无肺蝾螈和美洲大鲵（Cryptobranchus alleganiensis）。 分析证实了人们的怀疑：蝾螈的基因组中充满了转座子。 无肺蝾螈和美洲大鲵的基因组中都存在许多相同的转座子，这表明这些寄生DNA在2亿多年前首先开始在所有现存蝾螈的祖先中不受控制地复制。

最终，这种额外的 DNA 深刻地改变了蝾螈的身体、大脑和心脏。 如果你观察基因组最大的物种，你一眼就能看出它们在身体上有多么畸形。

蝾螈庞大的基因组赋予了它们婴儿般笨重的身体，但也赋予了它们再生四肢甚至部分大脑的能力。

胚胎脑

巨大的基因组常常导致蝾螈成长为“巨婴”。 在已知的 766 种蝾螈中，超过 39 种完全无法从水生幼虫成长为能够在陆地上生活的成虫。 像纽斯河蝾螈一样，它们有幼虫的鳃和脆弱的四肢，一生都被困在水中。

他们中的许多人还缺少脚趾，因为他们的四肢从未完全发育。 纽斯河蝾螈的后脚只有 4 个脚趾（大多数蝾螈有 5 个）； 两栖蝾螈属的物种每只脚只有 1 至 3 个脚趾； 而生活在美国东南部的海妖科物种甚至没有后腿。

这些发现是两位科学家合作的结果，他们是加州大学伯克利分校的著名蝾螈生物学家大卫·韦克（David Wake）和德国不来梅大学的博士生格哈德·罗尔（Gerhard Rohr）。 特别（格哈德·罗斯）。 他们发现蝾螈的大脑大多比青蛙的大脑简单。 用维克的话说，蝾螈的脑神经细胞是“胚胎”：更大、更圆、分化程度较低。

在这些现象中，罗特惊讶地发现了一个普遍模式：蝾螈大脑中缺失的特征是在发育后期产生的。 似乎动物们都在争分夺秒地让它们的大脑成熟。 这种模式很容易解释，因为另一位科学家碰巧发现了蝾螈庞大的基因组与其缓慢发育之间的联系。

斯坦利·塞辛斯现在是美国哈特威克学院的名誉教授。 他曾是韦克的学生（本文中的几位专家也是如此），正在研究蝾螈再生四肢的特殊能力。 塞申斯切断了 27 种无肺蝾螈的右后腿，并计算了它们再生的速度。 这些动物的基因组含有130亿至740亿个碱基对，是人类的4至24倍。 果然，他发现基因组较大的物种再生失去的肢体的速度更慢。 它们的未成熟细胞需要更长的时间才能分化成肌肉或骨骼等特殊组织。

Wake、Rotter和Sessions的研究还为理解另一个问题提供了基础基础，这就是为什么拥有最大基因组的蝾螈会失去脚趾、后腿甚至变态的能力——它们“庞大”的基因组会减慢并阻碍许多动物的进化。发展过程。 人们认为蝾螈发育迟缓的原因很简单：基因组越大，复制所需的时间越长，因此细胞分裂得更慢。 但到了 2018 年，基因组学的里程碑式进展让科学家们开始批判性地思考这个问题。

那一年，研究人员首次发表了墨西哥蝾螈（Ambystoma mexicanum）完整的蝾螈基因组数据。 这种动物可以长到几乎与人类前臂一样长，拥有铅笔般细的腿、绒毛状的鳃和其他幼虫特征，但它的基因组“只有”320亿个碱基对，比比尼奥斯河蝾螈的1180亿个碱基对要少得多。 这项研究指出，墨西哥钝口螈的转座子并非简单地分散在基因之间，而且还大量存在于基因内的内含子区域。

这个小细节会产生巨大的差异。 当一个基因表达时，它的整个 DNA，包括内含子序列，必须被复制到 RNA 链中。 然后，必须先将内含子修剪掉，然后才能将 RNA 链用作模板来生产可指导细胞发育的蛋白质。 墨西哥蝾螈的内含子序列比人类的内含子序列长 13 倍，因为它充满了转座子。 结果，它们的RNA需要更长的时间才能产生，细胞分化的指令也需要更长的时间才能生效，以至于用塞申斯的话来说，蝾螈“永远不会真正长大”。

除了发育缓慢之外，基因组过大还有另一个重大影响。 尽管科学家在 150 多年前就偶然发现了这一现象，但直到现在才认识到其重要性。

纸袋心

19世纪初，一位名叫乔治·格列佛的英国军医在追求自己的兴趣的同时，周游世界。 无论走到哪里，他都会采集当地物种的血液样本，在显微镜下检查，并测量其中的红细胞。 格列佛发现了迄今为止已知最大的红细胞，属于三趾两栖动物蝾螈（Amphiumatridactylum），这种动物的四肢已退化且极小，看起来像鳗鱼。 它的红细胞比人类大300倍。 体型仅次于三趾两栖动物的是一些蝾螈和一种肺鱼。

我们现在知道细胞大小和基因组大小密切相关：DNA 越多，细胞越大。 为了容纳大细胞，有些蝾螈直接长出巨大的身体。 例如，中国大鲵（Andriasdavitianus，俗称大鲵）可以长到1.8米长。

巨大的蜂窝积木也会堆砌出一个结构相对简单的躯​​体。 想象一下，您正在建造两辆相同的玩具车，一辆使用较小的积木，另一辆使用较大的积木。 如果汽车的尺寸是固定的，那么由更大的砖块组装而成的整体结构会更简单、更有棱角——对于蝾螈的身体来说似乎也是如此。

20 世纪 80 年代，现就职于哈佛大学的詹姆斯·汉肯 (James Hanken) 发现了这一原理的经典例子。 当时，汉肯正在研究托里乌斯的腕骨“骨头”（实际上是未硬化的软骨）。 这些物种是世界上最小的蝾螈，它们生活在墨西哥的山区和森林中。 有些非常小，可以装在一枚硬币上。 数十种密切相关的鸫属物种都拥有相同的八块腕骨，尽管它们已经单独进化了数百万年。 但汉肯发现，在Solirax中，这八块祖先腕骨是部分融合的。 更引人注目的是，即使在同一物种内，这些骨头的排列也可能有所不同。 有些人只有4块腕骨，有些人有7块。有些人甚至左右手腕的骨头排列不同。 汉肯说这种差异是“非同寻常的”。 他认为，由于Soliris的身体较小，细胞较大，因此在胚胎阶段没有足够的细胞来形成腕骨。

米勒和她的博士生迈克尔·伊特根被汉肯的结论所吸引，即大细胞会导致身体结构简化。 但两人想知道这是否真的对这些动物产生任何影响。 2019 年，他们启动了一项雄心勃勃的研究项目，旨在揭示细胞大小的差异如何影响心脏结构。 他们研究了 9 种无肺蝾螈，它们的基因组有 290 亿到 670 亿个碱基对。

肺蝾螈没有肺，通过皮肤呼吸。 而且它们只有一个心室，而不是像哺乳动物那样有两个心室。 当伊特根在显微镜下观察时，他惊讶地发现无肺蝾螈的心室有多么特殊。 在基因组非常小的物种中，心室壁厚且肌肉发达，心室腔内只留下很小的空间供血液流过。 随着基因组变得越来越大，它们的心室变得越来越空心，周围的肌肉壁变得越来越薄。 在基因组最大的物种中，心室是一个空袋，仅被一层肌肉薄膜包围，有时薄如单层细胞。

伊特根不确定为什么基因组越大，心脏就越空心。 他推测，基因组较大的物种的心室可能需要更多的空间来容纳较大的血细胞，而血细胞的大小会影响血液的粘度。 或者可能是因为细胞在发育过程中分裂得不够快，它们的心脏缺乏肌肉并变得空心。

无论如何，这种“粗制滥造”的结构都会付出惨重的代价。 科罗拉多州立大学研究心脏生理学的亚当·奇科 (Adam Chicco) 发现，薄薄的、纸袋状的心室与严重心力衰竭患者的心室相似：心肌细胞较少，心室壁被拉伸，使其无法正常工作。更薄。 ，心脏泵血的能力变得越来越弱。

如果火蜥蜴是人的话，那它早就到了鬼门关了。 Wake 在 2020 年告诉我：“拥有庞大的基因组在各个方面都会带来高昂的成本。”然而蝾螈已经生存了 2 亿年。 “所以这肯定有一些好处，”他补充道。 在寻找这些“好处”的过程中，科学家们取得了一些令人惊讶的发现，这些发现挑战了传统观念，并可能颠覆我们对进化论的理解。

难以理解的扭曲

韦克在 2020 年与我交谈过两次。他于 2021 年 4 月去世。但在他去世之前，他和塞申斯终于深入了解了他们几十年来一直在追求的一个问题：他们提出了一个理论，解释了蝾螈和肺鱼如何从它们的巨型鱼中受益。基因组。 该理论源于一项大胆的实验。

塞申斯和他的本科生尤里·马塔耶夫麻醉了几只火焰蝾螈（Notophasemus viridescens），然后剥开它们薄薄的头骨，取出每只火蝾螈的脑组织。 近四分之一的人大脑中负责气味的区域被移除。 蝾螈在被切断后很容易重新长出腿，但塞申斯想测试这种再生能力的极限。 果然，“六周内，他们的脑组织就长回来了。” 塞申斯说道。

该实验表明，蝾螈即使失去了自然界中通常不会失去的部分，也可以启动再生。 这违背了进化的基本原理——某些能力的出现是由环境压力驱动的。 塞申斯推测，蝾螈进化出再生能力的部分原因可能是为了应对外部压力，但它们庞大的基因组帮助它们增强了再生能力，并最终将这种能力转化为有益的“副作用”。 ”。

韦克和塞申斯的理论表明，遗传物质中的“寄生虫”深刻地改变了蝾螈的生物学特性。 许多长寿物种，包括人类，都会限制发育完成后留下的干细胞数量，这是一种进化权衡，目的是减少长期存在的不受控制的细胞分裂可能导致癌症的风险。 另一方面，蝾螈拥有更多的干细胞，而且它们的干细胞受到的限制要少得多。

韦克和塞申斯的理论不一定能完全解释蝾螈为何能够耐受大基因组。 虽然如果在最不幸的情况下失去肢体的话能够再生肢体会很方便，但蝾螈每天仍然必须与畸形的心脏、大脑和身体一起生活。 2021 年中，米勒、伊特根和汉肯进行了一次对话，他们推测在这种看似矛盾的情况下可能存在一个令人惊讶的真相。

三个人呼吁 Zoom 讨论空心心脏可能对蝾螈生存的影响。 “我的观点很极端。” 汉肯说，也许一颗空心的心“根本没有任何作用”。

尽管这个想法听起来很奇怪，但米勒和伊特根认为这是有道理的。 蝾螈生长和移动都很缓慢。 在迄今为止发现的所有脊椎动物中，它们的代谢率和氧气需求量是最低的。 伊特根和米勒研究的无肺蝾螈甚至没有肺。 伊特根说，也许蝾螈能够忍受空心心室，“因为它们对心脏功能的要求很低”。

事实上，当塞申斯进行再生实验时，他切除了12只火焰蝾螈的一半心室（成年两栖动物的心脏只有一个心室）。 蝾螈喷出血液，心脏停止跳动，但它们活了下来并长出了新的心室，这表明它们可能不像哺乳动物那样依赖心脏。

纽斯河蝾螈可以通过鳃呼吸来补偿其较弱的心肺功能。 尽管体内充满了垃圾DNA，这只蝾螈还是找到了生存之道。

火蜥蜴似乎也没有为它们奇怪的骨骼付出代价。 汉肯认为，孤寂者能够忍受原始的腕骨，因为这些动物体型很小，对关节的压力最小。 Soliris也不需要猎豹设计复杂的四肢，因为它们不追逐猎物，只是静静地躺着等待昆虫经过。

罗特补充说，由于火蜥蜴只需要等待猎物来到它们身边，它们的整个视觉系统就可以被简化。 最极端的例子就是欧洲和美洲的Bolitoglossa。 由于大脑的简化，它们失去了50%到90%的视觉神经元，因此它们无法区分爬行的昆虫和滚过的闪亮金属球。 然而，蹼足蝾螈拥有地球上速度最快的舌头之一，韦克说它们就像“带着上膛的枪行走”，可以在短短几毫秒内击中昆虫。

如果你也有这样的舌头，如果你不需要视力好，如果你能长时间蹲着，你的身体就会减轻很多压力，那么你也可以只拥有一个简化的大脑和一个空虚的心和一个一些奇怪的腕骨。 “这并没有什么坏处，”米勒说。 “这真是太深奥了。”

当您看到纽斯河蝾螈时，很容易对它产生同情心。 发育缓慢不仅阻止其变态，还可能阻止成年个体再生断肢，这是一个残酷的讽刺。 由于无法穿越干燥的土地，蝾螈被隔离在北卡罗来纳州的两条小河流系统中。 农业和发展使这里的水质恶化。 2021年6月，美国政府将种群数量不断减少的纽斯河蝾螈列为“受威胁”物种。 尽管蝾螈群体已经存在了2亿年，但我们不禁认为纽斯河蝾螈庞大的基因组已经将其推向了灭绝的边缘。

塞申斯不太确定。 这些臃肿的生物一次又一次证明，在适者生存的问题上，我们对“适者生存”的理解总是有偏差的，优先考虑的是力量和敏捷。 基因组中的寄生虫减缓了纽斯河蝾螈的发育，拉伸了它的细胞并扭曲了它的身体。 这种不寻常的情况将动物推上了一条奇怪的进化道路，“适者生存”被重新定义，强大的心脏和复杂的大脑成为次要考虑因素。 火灾、洪水和小行星撞击消灭了那些覆盖着皮毛、羽毛和鳞片、适应性更强的物种，但不知何故，纽斯河蝾螈却活了下来。

“这些蝾螈，”塞申斯说，“是顽强的幸存者。”

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