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鲸目动物的基因组有助于讲述哺乳动物重返水生生活的故事 。
大约4亿年前 ， 所有四肢生物的祖先第一次踏上了陆地 。 快进到大约3.5亿年前 ， 这些早期陆栖动物的后代却做了一个180度大转弯：它又返回到了水中 。 随着时间的推移 ， 回归海洋的生物 ， 产生了与陆地上的同类截然不同的动物：它们变成了今天在海洋中滑行的宏伟的鲸鱼、海豚和鼠海豚 。
在大约1000万年的时间里 ， 回归水生是一个剧烈的转变 ， 它将从内到外改变动物 。 但从进化的角度来说 ， 这只是一眨眼的功夫 。 这一群动物 ， 现在被称为“鲸目”动物 ， 因为强大的环境转变而失去了后肢 ， 几乎掉光了所有的毛 。 几十年来 ， 它们奇异的身体结构一直困扰着古生物学家 ， 他们推测它们可能起源于各种生物 ， 包括海洋爬行动物、海豹、袋鼠等有袋类动物 ， 甚至还有一群现已灭绝的狼形食肉动物 。
“总体来说 ， 鲸目动物是哺乳动物中最奇特、最反常的 ， ”一位科学家在1945年写道 。
然后 ， 在20世纪90年代末 ， 基因数据证实了鲸鱼和牛、猪和骆驼是同一进化系里的一部分 —— 一个叫做偶蹄目的分支 。 后来 ， 来自现代印度和巴基斯坦的化石充实了这一族谱 ， 确定了鲸目动物最接近的古代亲戚是一种小型涉水鹿类生物 。
但它们的身体结构只是鲸目动物奇怪的开始 。 为了在海里生存 ， 它们还必须进行内部改造 ， 改变它们的血液、唾液、肺和皮肤 。 这些变化在化石中并不明显 ， 而鲸目动物也不容易在实验室中进行研究 。 相反 ， 是基因再次让它们浮出水面 。
随着鲸类动物基因组的不断增加 ， 遗传学家现在可以寻找伴随着回到水中的转变的分子变化 。 虽然不可能确定任何特定突变的影响 ， 但科学家们怀疑 ， 他们看到的许多突变 ， 与鲸目动物在深蓝色海洋中潜水和繁衍的适应性相对应 。
潜入深海
第一批鲸目动物回到水中后失去的不仅仅是腿：整个基因都失去了功能 。 在构成基因组的大量基因字母中 ， 这些失效的基因是最容易被检测到的变化之一 。 它们就像一个混乱或碎片化的句子 ， 不再编码一个完整的蛋白质 。
这种损失可能以两种方式发生 。 也许拥有某种特定的基因对鲸目动物是有害的 ， 所以失去这种基因的动物反而获得了生存优势 。 德国法兰克福森肯堡研究所的基因组学家迈克尔·希勒（Michael Hiller）认为 ， 这也可能是一种“不使用就失去”的情况 。 如果这个基因在水中没有任何作用 ， 它就会随机积累突变 ， 即使它不再起作用 ， 动物的情况也不会更糟 。
迈克尔·希勒和他的同事们通过比较四种鲸目动物（海豚、逆戟鲸、抹香鲸和小须鲸）的基因组 ， 以及55种陆地哺乳动物加上一只海牛、一只海象和威德尔海豹的基因组 ， 深入研究了回归水生的转变 。 该团队在2019年的《科学进展》杂志上报告称 ， 当鲸目动物的祖先适应海洋时 ， 约有85个基因失去了功能 。 希勒说 ， 在许多情况下 ， 他们可以猜到这些基因为什么会失效 。
例如 ， 鲸目动物不再拥有一种特定的基因：SLC4A9 ， 这与产生唾液有关 。 这是有道理的：当你的嘴里已经满是水的时候 ， 唾液还有什么用呢？
鲸目动物还失去了四种与褪黑激素合成和反应有关的基因 ， 褪黑激素是一种调节睡眠的激素 。 鲸鱼的祖先可能很快就发现 ， 如果它们一次关闭大脑几个小时 ， 它们就无法浮出水面呼吸 。 现代鲸目动物每次睡眠只关闭一个脑半球 ， 另一个脑半球保持清醒 。 希勒说：“如果你不再像我们所知道的那样有规律的睡眠 ， 那么你可能就不需要褪黑激素 。 ”
鲸鱼必须长时间屏住呼吸潜水和捕猎 ， 这似乎也刺激了基因的变化 。 潜水者都知道 ， 深潜水意味着血液中会形成氮气气泡 ， 这可能对早期鲸目动物是有害的 。 碰巧的是 ， 在鲸目动物体内 ， 两个通常有助于血液凝结的基因（F12和KLKB1）不再起作用 ， 这大概降低了这种风险 。 其余的凝血机制保持完整 ， 所以鲸鱼和海豚仍然可以封闭伤口 。
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