短短四個月基因組60%變了 實驗顯示果蠅驚人的演化速度

在這項新研究中，美國賓夕法尼亞大學的研究人員通過一項巧妙設計的田間實驗，追蹤果蠅在自然環境條件變化過程中發生的變化，觀察到了令人驚奇的適應速度：在短短四個月的實驗過程中，研究人員就在果蠅基因組中超過60%的地方記錄到了變異！

果蠅的壽命通常為兩三個月，壽命短、繁殖快的優勢正是它們成為生物科學家“實驗寵兒”的重要原因。即便如此，它們的演化速度到底有多快，以前沒有人直接觀察到過。用這項研究的共同通訊作者、生物學教授Paul Schmidt的話說，要建立一個新的范式，直接觀察動物種群如何持續地適應環境條件的快速變化，按過去對演化時間尺度的認知，是很難測出來的。

然而Schmidt教授和同事們觀察果園中的果蠅時，注意到生長季節伊始出現的果蠅，與豐收季節密集出現的果蠅，在壓力耐受性、生殖適應性甚至色素沉著等方面有很大不同。這一現象提示，這些動物種群隨季節變化產生的適應性或許速度超出人們原來的想象。

不過要確認這一點，需要嚴格地控制研究條件。于是，他們在果園中搭建起實驗大棚，在現實生活環境條件下（刮風下雨、寒冷、炎熱等）研究果蠅。

一開始，他們往十個大棚里各投放了1000只果蠅，除了提供相同的食物外，其余任果蠅自我發展。它們在里面飛快繁殖，高峰期每個大棚里的種群數量可達10萬只。

▲研究人員在果園設立的實驗棚可以防止果蠅自由進出（圖片來源：參考資料[2]；Credit：Eric Sucar/University of Pennsylvania）

此后的每個月，研究人員從每個大棚里采集一些果蠅個體和數千枚蟲卵，分析六種代表適應性的身體特征，包括繁殖成功率、發育速度、耐寒性、耐旱性等，這些特征在過去很多研究中已經知道受多個基因控制。同時，研究人員還會每個月從每個大棚里隨機選擇100只果蠅，通過基因組測序，高度準確地知道基因組中不同位置上等位基因頻率隨著時間推移發生的變化。

春去秋來，整個實驗過程大約覆蓋了10代果蠅。研究人員收集并分析的身體特征和基因組數據給出了清晰的證據：果蠅一直在演化，以適應不斷變化的自然環境，而且演化速度比以往任何人測量的都要快。

適應幅度出乎意料的大，超過60%的基因組在發生直接或間接的變化！研究人員解釋，這不是說進化選擇作用在大半部分的基因組上，而是在“遺傳牽連效應”（genetic draft）過程中一部分DNA發生變化“牽連”了另一部分DNA。

本研究發現的另一個有趣之處是，適應的方向多次發生變化，隨著環境條件的變化像鐘擺一樣來回擺動。“你會看到一個特征可能在幾周內朝這個方向演化，然后在下個月反轉方向，這是非常令人驚訝的，”研究論文的第一作者Seth Rudman博士指出，“這描繪了一幅真正的動態適應和選擇圖景。自然選擇的方向在變，目標也在變，而且變化非常迅速。”

而這種波動，研究人員認為可能是導致過去的研究低估適應速度的一個原因，因為一旦時間拉長進行測量，可能回到了原點，看似沒有發生變化。

“我們看到種群能夠迅速響應環境條件的變化，”Schmidt教授補充，“而且這種變化不是針對某個選擇性的條件（比如干旱），而是種群在整個實驗過程中不斷演化和改變。”

盡管果蠅的壽命比人類短得多，繁殖速度比人類快得多，但研究人員表示，這一發現對于我們理解和測量人類適應環境變化的演化速度同樣提供了重要的洞見。“我認為這樣的過程在許多不同的物種中發生，只是更難在適當的時間尺度上測量，”Schmidt教授說。“對于果蠅來說，適應的壓力可能隨著季節而來，對于人類來說，則可能是氣候變化、農業、以牛奶作為食物來源，等等。這可能是普遍現象。”