距今8000萬(wàn)年前，澳洲大陸脫離了南極洲大陸向北漂移。由于海水的隔絕，這片平坦而古老的大陸誕生了許多不同尋常的物種，在南半球演繹著另一番自然生機(jī)。有熟悉的袋鼠、考拉、袋狼、袋熊、鴯鹋、針鼴……還有鴨嘴獸。這一樣貌和行為都稱(chēng)得上古怪的神奇動(dòng)物，直到18世紀(jì)末才被人們發(fā)現(xiàn)。

它常常棲居于河岸，也善潛水 | Tourism Australia blogger

鴨嘴獸（Ornithorhynchus anatinus）是最早分化形成的哺乳動(dòng)物之一，在哺乳動(dòng)物的演化過(guò)程中占據(jù)非常重要的位置。它和人類(lèi)在大約1.8億年前有著共同的祖先，通過(guò)研究它的基因組，科學(xué)家們可以得知關(guān)于性狀特征起源的諸多奧秘。

2021年1月7日，深圳華大生命科學(xué)研究院生物多樣性團(tuán)隊(duì)、哥本哈根大學(xué)、浙江大學(xué)、澳大利亞阿德萊德大學(xué)等單位聯(lián)合在英國(guó)著名雜志《Nature》刊登發(fā)布的重磅文章，就為我們講述了這其中的演化故事。

刊發(fā)在《Nature》的重磅成果

在一億年前的演化故事

這次，中外科學(xué)家們首次成功構(gòu)建出了包括人在內(nèi)的所有現(xiàn)生哺乳動(dòng)物共同祖先的基因組圖譜?，F(xiàn)代人有46條染色體，而人和鴨嘴獸的共同祖先很可能有60條染色體，這些染色體經(jīng)過(guò)了很多次的變異才形成了今天的狀態(tài)。

推測(cè)哺乳動(dòng)物的共同祖先 2n=60 | 參考文獻(xiàn) [1]

此次的研究對(duì)象除了鴨嘴獸，還包括短吻針鼴（Tachyglossus aculeatus）。它們都是單孔目的卵生哺乳動(dòng)物，是現(xiàn)存哺乳動(dòng)物中古老而原始的類(lèi)型，在演化路徑上孤獨(dú)求索。

短吻針鼴，又稱(chēng)為澳洲針鼴 | Roman Sandoz, flickr

現(xiàn)存的單孔目動(dòng)物一共僅有五種，由于它們排尿、排便、生殖都共用一個(gè)開(kāi)口，因此被命名為單孔目（Monotreme）。它們?cè)?jīng)與人類(lèi)有著共同的哺乳動(dòng)物，1.8億年前在演化路上形成兩個(gè)分支，分別是人類(lèi)所在的獸亞綱（Theria），鴨嘴獸所在的原獸亞綱（Prototheria）。后來(lái)，原獸亞綱的其他幾個(gè)目紛紛滅絕，僅余單孔目；而其下的鴨嘴獸科，也僅余鴨嘴獸一種。

日本國(guó)立博物館的鴨嘴獸標(biāo)本 | Motokoka, Wikimedia, CC BY-SA 4.0

研究團(tuán)隊(duì)獲得鴨嘴獸和針鼴的高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)之后，通過(guò)對(duì)比人類(lèi)、有袋類(lèi)動(dòng)物等基因組數(shù)據(jù)，得到不少關(guān)于演化的古早秘密——和其他哺乳動(dòng)物一樣，鴨嘴獸幼崽會(huì)依靠媽媽的乳汁長(zhǎng)大，但它們也有著不少怪異之處，比如它們的性染色體數(shù)，是人類(lèi)的五倍。

鴨嘴獸的性染色體比人類(lèi)多

雖然人類(lèi)與鴨嘴獸有著共同的祖先，但是在性染色體發(fā)展上卻少有關(guān)聯(lián)。人類(lèi)有23對(duì)、46條染色體，其中有1對(duì)是性染色體，女性為XX，男性則為XY。鴨嘴獸則有5對(duì)性染色體，一共10條，雌性為10條X染色體，雄性有5條X染色體和5條Y染色體。

鴨嘴獸有5對(duì)性染色體 | 參考文獻(xiàn) [1]

這會(huì)不會(huì)是在演化過(guò)程中，人類(lèi)丟失了一部分性染色體，或是鴨嘴獸復(fù)制了多幾組呢？本次的研究成果給出了答案——通過(guò)對(duì)比基因組發(fā)現(xiàn)，單孔目動(dòng)物的性染色體與包括人在內(nèi)的大多數(shù)哺乳動(dòng)物的性染色體并沒(méi)有任何同源關(guān)系?？梢岳斫鉃?，人類(lèi)與鴨嘴獸是在祖先分歧之后，各自獨(dú)立演化出了不同的性染色體系統(tǒng)。

鴨嘴獸有著特殊的性染色體系統(tǒng) | Field Museum, flickr

在對(duì)比了鴨嘴獸和鳥(niǎo)類(lèi)的性染色體之后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鴨嘴獸的性染色體反倒與鳥(niǎo)類(lèi)的有更高的序列相似性。它們非常可能是通過(guò)多對(duì)古老的常染色體相互之間發(fā)生非同源的片段交換而產(chǎn)生，即發(fā)生了轉(zhuǎn)座異位。產(chǎn)卵繁殖的鴨嘴獸在性染色體的層面上，也與鳥(niǎo)類(lèi)有著不謀而合的傾向。

推測(cè)可能發(fā)生的轉(zhuǎn)座異位情況 | 參考文獻(xiàn) [1]

關(guān)于鴨嘴獸的其他神奇設(shè)定

鴨嘴獸種群數(shù)量并不多，被全球?yàn)l危物種紅色名單IUCN評(píng)為近危（Near Threatened ），我們只能在澳洲見(jiàn)到。它們有著像鴨子的嘴巴，像河貍的身子，像水獺的爪子，以及扁平的尾巴幫它們?cè)谟斡緯r(shí)獲得平衡。

模樣古怪的鴨嘴獸 | Klaus, Wikipedia, CC BY-SA 2.0

雖然是哺乳動(dòng)物，鴨嘴獸卻靠產(chǎn)卵繁殖。它們產(chǎn)下來(lái)的蛋稍微不同于鳥(niǎo)類(lèi)的硬殼蛋，其直徑往往只有1cm，而且是軟殼革質(zhì)的。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，它們相較爬行類(lèi)和鳥(niǎo)類(lèi)來(lái)說(shuō)雖然丟掉了一些基因，但仍保留著多數(shù)參與卵形成的基因（比如編碼卵黃蛋白原分子的基因——這一分子參與了卵黃營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸過(guò)程），而這些產(chǎn)卵相關(guān)的基因在人類(lèi)、考拉等常見(jiàn)哺乳動(dòng)物中已經(jīng)完全丟失。

破殼而出的鴨嘴獸幼崽 | Smithsonian Channel

鴨嘴獸的幼崽與其他哺乳動(dòng)物一樣，需要依靠媽媽分泌的乳汁成長(zhǎng)。這一點(diǎn)在基因組數(shù)據(jù)中得到了印證，以鴨嘴獸為代表的單孔目物種有著參與泌乳過(guò)程的基因，比如編碼酪蛋白（Casein）——乳汁中主要成分之一的基因。這也說(shuō)明了哺乳這一特征和對(duì)應(yīng)的基因，早在人類(lèi)和鴨嘴獸的共同祖先身上就已經(jīng)演化形成；而我們體內(nèi)的這段基因，也許1.8億年前就已經(jīng)存在。

小鴨嘴獸靠哺乳喂養(yǎng)長(zhǎng)大 | MelbourneWater

鴨嘴獸會(huì)熟練地潛水，在水里靠感受生物發(fā)出的微弱電場(chǎng)來(lái)定位捕食。它們的眼睛很小，并不常在水中使用，耳朵位于眼睛后方的凹槽里，會(huì)在潛水之時(shí)閉合起來(lái)。而感受獵物的部位，正是它們那個(gè)鴨子模樣的嘴巴——上萬(wàn)個(gè)電感應(yīng)器位于嘴巴的皮膚上，如雷達(dá)一般能迅速感知水中生物的電信號(hào)。

作為夜行性動(dòng)物，在水中摸黑覓食，它們的犁鼻器受體稍有擴(kuò)大，這和其他夜行性動(dòng)物有著類(lèi)似的結(jié)論，犁鼻器受體基因的數(shù)量也比針鼴等動(dòng)物多。

它們并不是靠雙眼去尋找獵物 | Dave Irving, flickr

犁鼻器（Vomeronasal organ VNO）這一器官聽(tīng)起來(lái)可能有些陌生，實(shí)際上人類(lèi)也有這么一個(gè)部位。它位于口腔頂壁、鼻腔底部，不過(guò)已經(jīng)高度退化。動(dòng)物學(xué)研究中，犁鼻器被證實(shí)是用于輔助感受物質(zhì)的氣味甚至荷爾蒙的，蛇類(lèi)、蜥蜴、大象、牛羊、貓咪都有著類(lèi)似的構(gòu)造。比如蛇類(lèi)在收回叉狀舌頭時(shí)，會(huì)利用口腔上顎的犁鼻器來(lái)檢測(cè)空氣中的化學(xué)線(xiàn)索，以輔助判斷獵物或捕食者是否存在。

鴨嘴獸每天的食量是自己體重的15~30%，而它的胃卻幾乎退化了。它會(huì)靠著扁平的鴨嘴在水底掘起食物，連同泥沙一并放入頰囊里，帶到岸上再認(rèn)真咀嚼。水中的蠕蟲(chóng)、淡水蝦、蝌蚪、魚(yú)卵、蟲(chóng)卵等等皆是鴨嘴獸的食物。然而成年鴨嘴獸并沒(méi)有牙齒，憑借帶有橫脊的角質(zhì)化牙齦板，把食物反復(fù)碾碎消化；幾乎退化的胃，則被連接在一起的腸道和食管取代。

岸邊生活的大胃王 | Heinrich Harder, wiki commons

從基因組分析里能看出，鴨嘴獸和針鼴都丟失了許多牙齒和胃發(fā)育相關(guān)的基因，比如參與牙齒形成及牙釉基質(zhì)礦質(zhì)化的牙成釉細(xì)胞相關(guān)基因（Odontogenic ameloblast-associated Gene），引導(dǎo)ATP酶將氫離子泵入胃中、刺激胃酸分泌過(guò)程的胃泌素基因（Gastrin Gene），而這兩個(gè)基因在我們?nèi)祟?lèi)身上仍存在。

科學(xué)探索，步履不停。從繁復(fù)的基因組中，我們逐漸讀懂了一連串的生物密碼，也正在一步步地揭開(kāi)，關(guān)于遠(yuǎn)古生命的更多奧秘。

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