眼睛退了、耳朵縮了、基因瘋了：這群“宅男”狠起來(lái)自己都改！

在我們腳下的黑暗世界里，生活著一群神秘的“地下居民”——它們從未見(jiàn)過(guò)陽(yáng)光，卻在永恒的黑暗中繁衍生息；它們呼吸著稀薄的空氣，卻依然活力充沛；它們用爪子日夜不停地挖掘，在堅(jiān)硬的土層中開(kāi)辟自己的家園，每天干勁滿滿。這些地下哺乳動(dòng)物究竟是如何能在這樣艱苦的條件下“安居樂(lè)業(yè)”？

最近，它們的生存奧秘，被中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所研究員胡義波與中國(guó)科學(xué)院院士魏輔文團(tuán)隊(duì)首次揭開(kāi)。通過(guò)對(duì)四種典型地下哺乳動(dòng)物的深入研究，他們發(fā)現(xiàn)，這些看似毫不相關(guān)的動(dòng)物，竟然在基因?qū)用妗安恢\而合”地選擇了相同的生存策略。更令人驚訝的是，支撐它們地下生活的主要力量，來(lái)自于它們?cè)趦|萬(wàn)年進(jìn)化歷程中對(duì)自身基因的精妙改造。

動(dòng)物園中的裸鼴鼠（圖片來(lái)源：維基百科）

Part.1

極限挑戰(zhàn)：地下世界的殘酷考驗(yàn)

光線？一絲沒(méi)有，永恒的黑暗里，眼睛就當(dāng)擺設(shè)。

氧氣？只有地面的一半，二氧化碳濃度卻是高得驚人。

每天干什么？挖土——堅(jiān)硬的土壤要耗費(fèi)大量體力，還有各種病菌四處潛伏。

這，便是地下哺乳動(dòng)物面臨的日常。

對(duì)于大多數(shù)哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，這樣的環(huán)境簡(jiǎn)直是噩夢(mèng)。但是，自然界中卻有一些“勇士”選擇了這種極端的生活方式。從生活在中國(guó)秦嶺山區(qū)的中華竹鼠，到分布在非洲的裸鼴鼠，再到棲息在中東地區(qū)的盲鼴鼠，以及生活在高加索地區(qū)的土黃鼴形田鼠，這些動(dòng)物雖然生活在不同的大陸，屬于不同的動(dòng)物家族，卻都不約而同地選擇了地下生活。

為了在這樣的環(huán)境中生存，它們演化出了許多“專(zhuān)屬裝備”。比如，它們的眼睛都變得很小，有些甚至完全退化——在永恒黑暗的地下世界，視覺(jué)確實(shí)沒(méi)什么用處；它們的耳朵也縮小了，這樣在狹窄的地下通道中行動(dòng)更加便利；相反，它們的四肢變得異常粗壯有力，牙齒也特別堅(jiān)硬，這些都是為了適應(yīng)長(zhǎng)期的挖掘工作。

可這些變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，真正的生存密碼還藏在別的地方。

Part.2

進(jìn)化神工：基因密碼的驚人發(fā)現(xiàn)

為了知道這些外表相似的特征背后是否也存在相似的基因變化，研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)中華竹鼠進(jìn)行了全面的基因組測(cè)序——這就像是為它制作了一張?jiān)敿?xì)的“基因身份證”。

結(jié)果令人震驚。研究人員發(fā)現(xiàn)，在中華竹鼠的基因組中，一個(gè)名為Hsp90的基因家族發(fā)生了顯著的擴(kuò)張。通常情況下，大多數(shù)哺乳動(dòng)物只有2-3個(gè)Hsp90基因拷貝，但中華竹鼠竟然擁有10個(gè)！

Hsp90是一種特殊的蛋白質(zhì)。它就像是細(xì)胞內(nèi)的“應(yīng)急救援隊(duì)”，當(dāng)細(xì)胞面臨缺氧等緊急情況時(shí)，Hsp90就會(huì)出動(dòng)，幫助細(xì)胞制造一氧化氮——擴(kuò)張血管、保護(hù)細(xì)胞，讓動(dòng)物在缺氧環(huán)境中依然能夠正常生存。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，中華竹鼠相當(dāng)于在自己的基因工具箱里多準(zhǔn)備了幾把“救命鑰匙”，應(yīng)對(duì)地下極端環(huán)境中的困難，就自然比別人更輕松。

昆明動(dòng)物博物館的中華竹鼠標(biāo)本（圖片來(lái)源：維基百科）

Part.3

改造升級(jí)：眼睛和牙齒的“重新設(shè)計(jì)”

穴居動(dòng)物不只是在基因中“加裝備”，還會(huì)“改舊件”。研究人員比較了中華竹鼠和普通實(shí)驗(yàn)室小鼠在眼部、眼周和牙周組織中的基因表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)了更有趣的變化。

在眼部組織的分析中，中華竹鼠并沒(méi)有完全“關(guān)閉”視覺(jué)相關(guān)的基因，而是對(duì)它們進(jìn)行了精細(xì)的調(diào)節(jié)。一些負(fù)責(zé)維護(hù)眼部細(xì)胞的基因表達(dá)增強(qiáng)了，而另一些則被削弱了。這說(shuō)明，中華竹鼠的視覺(jué)系統(tǒng)并沒(méi)有完全報(bào)廢，而是經(jīng)過(guò)了“重新裝修”，以適應(yīng)地下的光照條件。

在牙齒方面，變化更加明顯。研究人員發(fā)現(xiàn)，許多控制牙齒發(fā)育的關(guān)鍵基因都發(fā)生了表達(dá)變化。特別是一些通常會(huì)限制牙齒生長(zhǎng)的“剎車(chē)基因”被削弱了，這可能有助于中華竹鼠長(zhǎng)出更加堅(jiān)硬、更適合挖掘的牙齒。

這些發(fā)現(xiàn)告訴我們，地下哺乳動(dòng)物并不是簡(jiǎn)單地“關(guān)閉”某些功能，而是像一個(gè)精明的工程師一樣，對(duì)自己的“身體機(jī)器”進(jìn)行了全面的改造升級(jí)。

Part.4

殊途同歸：四兄弟的驚人默契

當(dāng)研究的范圍擴(kuò)展到四種不同的地下哺乳動(dòng)物時(shí)，更加令人震撼的發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了——盡管這些動(dòng)物生活在不同的大陸，屬于不同的動(dòng)物家族，進(jìn)化歷史相距甚遠(yuǎn)，但它們?cè)诨驅(qū)用鎱s表現(xiàn)出了驚人的相似性。

研究人員發(fā)現(xiàn)了，有35個(gè)基因在這四種動(dòng)物中都發(fā)生了相同的變化。這就像是四個(gè)從未謀面的人，卻不約而同地選擇了相同的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)相同的問(wèn)題。

其中最引人注目的，是一個(gè)叫做Megf11的基因。這個(gè)基因負(fù)責(zé)眼部發(fā)育，在四種地下動(dòng)物中都發(fā)生了相同的變化：調(diào)控合成蛋白質(zhì)的某個(gè)氨基酸從丙氨酸被替換成了絲氨酸。

更有趣的是，當(dāng)科學(xué)家們擴(kuò)大調(diào)查范圍，查看了45種不同的嚙齒動(dòng)物后，發(fā)現(xiàn)這種變化不僅存在于地下動(dòng)物中，還出現(xiàn)在一些夜行性動(dòng)物身上。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)意義深遠(yuǎn)：不管是生活在地下的動(dòng)物，還是習(xí)慣夜間活動(dòng)的動(dòng)物，都面臨著相似的“黑暗挑戰(zhàn)”，而大自然則給出了相同的“標(biāo)準(zhǔn)答案”——通過(guò)改變Megf11基因來(lái)更好地適應(yīng)黑暗環(huán)境。

一只生活在土耳其的土黃鼴形田鼠（圖片來(lái)源：維基百科）

Part.5

有舍才有得： Krt9基因“退休”讓爪子更靈活

更令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，來(lái)自對(duì)Krt9基因的研究。這個(gè)基因通常負(fù)責(zé)制造角蛋白9，這是一種能讓皮膚變硬的蛋白質(zhì)。但在所有四種地下哺乳動(dòng)物中，這個(gè)基因都“壞掉了”——科學(xué)家稱(chēng)之為“假基因化”。

乍一看，這似乎是件壞事。畢竟，基因“壞了”通常意味著功能缺失。但對(duì)于地下動(dòng)物來(lái)說(shuō)，這可能反而是件好事。Krt9基因的產(chǎn)物主要在腳掌部位發(fā)揮作用，讓皮膚變得堅(jiān)硬。但對(duì)于需要長(zhǎng)期用爪子挖掘的地下動(dòng)物來(lái)說(shuō)，過(guò)度堅(jiān)硬的皮膚可能會(huì)妨礙它們的挖掘效率——就好比過(guò)于厚實(shí)的裝甲反而讓坦克變得笨重。因此，“丟掉”這個(gè)基因可能讓它們的爪子變得更加靈活有力。

Krt9基因的失活并不是偶然現(xiàn)象，而是在至少八個(gè)不同的地下哺乳動(dòng)物家族中都獨(dú)立發(fā)生了。這強(qiáng)烈暗示，對(duì)于選擇地下生活的哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，失去Krt9基因是一種普遍的適應(yīng)策略。

一只生活在烏克蘭的盲鼴鼠（圖片來(lái)源：維基百科）

Part.6

沒(méi)有“外援”，全憑實(shí)力：微生物伙伴的“意外缺席”

在研究地下動(dòng)物的適應(yīng)機(jī)制時(shí)，科學(xué)家們?cè)疽詾槟c道微生物也參與了這場(chǎng)適應(yīng)性演化的“大合唱”。畢竟，在我們已知的許多例子中，動(dòng)物都會(huì)借助腸道中的微生物伙伴來(lái)適應(yīng)特殊環(huán)境。

比如，生活在青藏高原的牦牛和綿羊，它們的腸道微生物組成非常相似，這些微生物幫助宿主更好地消化食物，適應(yīng)高海拔的低氧環(huán)境。還有專(zhuān)門(mén)吃螞蟻的動(dòng)物，如食蟻獸、土豚等，雖然分屬不同家族，但它們的腸道微生物也表現(xiàn)出相似性，特別是在消化螞蟻外殼中的幾丁質(zhì)方面。

然而，地下哺乳動(dòng)物卻給了研究人員一個(gè)意外。通過(guò)對(duì)包括中華竹鼠、長(zhǎng)尾鼩鼴在內(nèi)的多種地下動(dòng)物的腸道微生物分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，不同種類(lèi)的地下動(dòng)物擁有完全不同的腸道微生物群落。

原來(lái)，這些地下動(dòng)物雖然都選擇了地下生活，但它們的食性、消化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及進(jìn)化歷史都不相同。有些是食草動(dòng)物，有些是食蟲(chóng)動(dòng)物；有些有復(fù)雜的消化系統(tǒng)，有些則比較簡(jiǎn)單。這些差異的影響可能比棲息環(huán)境的影響更大。

另外，與那些完全生活在高海拔或深海的動(dòng)物不同，地下動(dòng)物偶爾還會(huì)到地面上活動(dòng)，因此地下環(huán)境的選擇壓力可能沒(méi)有其他極端環(huán)境那么強(qiáng)烈和持續(xù)。

Part.7

因勢(shì)而為：基因組主導(dǎo)的生存哲學(xué)

依靠改造自身基因組來(lái)適應(yīng)極端環(huán)境，而非依賴(lài)微生物伙伴的幫助，這便是地下哺乳動(dòng)物智慧的生存哲學(xué)

這種策略有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。雖然基因改變需要很長(zhǎng)的演化時(shí)間，但一旦形成，就非常穩(wěn)定可靠。就像是給自己的身體安裝了一套永不會(huì)背叛的“內(nèi)置工具”，無(wú)論走到哪里，都能隨身攜帶。

相比之下，依賴(lài)微生物伙伴的策略雖然可能更加靈活，但也沒(méi)那么“靠譜”。微生物群落可能會(huì)因?yàn)轱嬍场h(huán)境或其他因素發(fā)生變化，從而影響宿主的適應(yīng)能力。

這種差異告訴我們，面對(duì)相似的環(huán)境挑戰(zhàn)，不同的生物類(lèi)群可能會(huì)選擇截然不同的解決方案。有些選擇“內(nèi)功修煉”（基因改造），有些選擇“外援助力”（微生物合作），還有些可能兩者兼用。每種策略都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用條件。

Part.8

智慧延伸：自然界工程師對(duì)人類(lèi)的啟示

地下哺乳動(dòng)物就像是自然界的“地下工程師”。它們不僅為自己設(shè)計(jì)了完美的地下生存裝備，還在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用：它們的挖掘活動(dòng)就像天然的“犁田機(jī)”，不斷翻松土壤，改變地貌，促進(jìn)植物生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)的更新；它們還是土壤中碳循環(huán)和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的重要參與者，對(duì)維持地下生態(tài)系統(tǒng)的健康具有不可替代的作用。

對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，地下哺乳動(dòng)物的適應(yīng)機(jī)制也提供了寶貴的啟示。比如，它們應(yīng)對(duì)缺氧環(huán)境的分子機(jī)制，可能為治療心腦血管疾病提供新思路；它們長(zhǎng)期生活在多是病菌的土壤里，卻很少生病，這種獨(dú)特的免疫調(diào)節(jié)方式可能啟發(fā)新的免疫治療方法；特別是裸鼴鼠的長(zhǎng)壽特征，更是抗衰老研究的熱點(diǎn)，或許未來(lái)從這里，我們能找到延緩人類(lèi)衰老的秘密。

更重要的是，這項(xiàng)研究展示了現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的強(qiáng)大威力。通過(guò)基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等多種技術(shù)的結(jié)合，科學(xué)家們終于能夠深入到分子層面，理解這些神奇適應(yīng)現(xiàn)象背后的機(jī)制。這不僅滿足了人類(lèi)的好奇心，也為未來(lái)的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。

這項(xiàng)研究讓我們看到了生命適應(yīng)極端環(huán)境的多樣性和自然界中蘊(yùn)藏著的無(wú)窮智慧。隨著環(huán)境變化日益加劇，理解這些適應(yīng)機(jī)制不僅有助于保護(hù)生物多樣性，也可能為人類(lèi)應(yīng)對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)提供靈感。

參考文獻(xiàn)：

[1]Li, Kexin, et al. "Host genomic convergence, rather than gut microbiome convergence, underlies the convergent evolution of subterranean adaptation in mammals." Cell Reports 44.8 (2025).

出品：科普中國(guó)

作者：郭菲

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