為了活在地下，它們的基因點了這些“技能樹”

在我們腳下的黑暗世界里，生活著一群神秘的“地下居民”——它們從未見過陽光，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，在堅硬的土層中開辟自己的家園，每天干勁滿滿。這些地下哺乳動物究竟是如何能在這樣艱苦的條件下“安居樂業”？

最近，它們的生存奧秘，被中國科學院動物研究所研究員胡義波與中國科學院院士魏輔文團隊首次揭開。通過對四種典型地下哺乳動物的深入研究，他們發現，這些看似毫不相關的動物，竟然在基因層面“不謀而合”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，來自于它們在億萬年進化歷程中對自身基因的精妙改造。

動物園中的裸鼴鼠

（圖片來源：維基百科）

極限挑戰：地下世界的殘酷考驗

光線？一絲沒有，永恒的黑暗里，眼睛就當擺設。

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——堅硬的土壤要耗費大量體力，還有各種病菌四處潛伏。

這，便是地下哺乳動物面臨的日常。

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

為了在這樣的環境中生存，它們演化出了許多“專屬裝備”。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，視覺確實沒什么用處；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，牙齒也特別堅硬，這些都是為了適應長期的挖掘工作。

可這些變化遠遠不夠，真正的生存密碼還藏在別的地方。

進化神工：基因密碼的驚人發現

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，研究團隊首先對中華竹鼠進行了全面的基因組測序——這就像是為它制作了一張詳細的“基因身份證”。

結果令人震驚。研究人員發現，在中華竹鼠的基因組中，一個名為Hsp90的基因家族發生了顯著的擴張。通常情況下，大多數哺乳動物只有2-3個Hsp90基因拷貝，但中華竹鼠竟然擁有10個！

Hsp90是一種特殊的蛋白質。它就像是細胞內的“應急救援隊”，當細胞面臨缺氧等緊急情況時，Hsp90就會出動，幫助細胞制造一氧化氮——擴張血管、保護細胞，讓動物在缺氧環境中依然能夠正常生存。

簡單來說，中華竹鼠相當于在自己的基因工具箱里多準備了幾把“救命鑰匙”，應對地下極端環境中的困難，就自然比別人更輕松。

昆明動物博物館的中華竹鼠標本

（圖片來源：維基百科）

改造升級：眼睛和牙齒的“重新設計”

穴居動物不只是在基因中“加裝備”，還會“改舊件”。研究人員比較了中華竹鼠和普通實驗室小鼠在眼部、眼周和牙周組織中的基因表達情況，發現了更有趣的變化。

在眼部組織的分析中，中華竹鼠并沒有完全“關閉”視覺相關的基因，而是對它們進行了精細的調節。一些負責維護眼部細胞的基因表達增強了，而另一些則被削弱了。這說明，中華竹鼠的視覺系統并沒有完全報廢，而是經過了“重新裝修”，以適應地下的光照條件。

在牙齒方面，變化更加明顯。研究人員發現，許多控制牙齒發育的關鍵基因都發生了表達變化。特別是一些通常會限制牙齒生長的“剎車基因”被削弱了，這可能有助于中華竹鼠長出更加堅硬、更適合挖掘的牙齒。

這些發現告訴我們，地下哺乳動物并不是簡單地“關閉”某些功能，而是像一個精明的工程師一樣，對自己的“身體機器”進行了全面的改造升級。

殊途同歸：四兄弟的驚人默契

當研究的范圍擴展到四種不同的地下哺乳動物時，更加令人震撼的發現出現了——盡管這些動物生活在不同的大陸，屬于不同的動物家族，進化歷史相距甚遠，但它們在基因層面卻表現出了驚人的相似性。

研究人員發現了，有35個基因在這四種動物中都發生了相同的變化。這就像是四個從未謀面的人，卻不約而同地選擇了相同的解決方案來應對相同的問題。

其中最引人注目的，是一個叫做Megf11的基因。這個基因負責眼部發育，在四種地下動物中都發生了相同的變化：調控合成蛋白質的某個氨基酸從丙氨酸被替換成了絲氨酸。

更有趣的是，當科學家們擴大調查范圍，查看了45種不同的嚙齒動物后，發現這種變化不僅存在于地下動物中，還出現在一些夜行性動物身上。

這個發現意義深遠：不管是生活在地下的動物，還是習慣夜間活動的動物，都面臨著相似的“黑暗挑戰”，而大自然則給出了相同的“標準答案”——通過改變Megf11基因來更好地適應黑暗環境。

一只生活在土耳其的土黃鼴形田鼠

（圖片來源：維基百科）

有舍才有得：Krt9基因“退休”讓爪子更靈活

更令人驚訝的發現，來自對Krt9基因的研究。這個基因通常負責制造角蛋白9，這是一種能讓皮膚變硬的蛋白質。但在所有四種地下哺乳動物中，這個基因都“壞掉了”——科學家稱之為“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。但對于地下動物來說，這可能反而是件好事。Krt9基因的產物主要在腳掌部位發揮作用，讓皮膚變得堅硬。但對于需要長期用爪子挖掘的地下動物來說，過度堅硬的皮膚可能會妨礙它們的挖掘效率——就好比過于厚實的裝甲反而讓坦克變得笨重。因此，“丟掉”這個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象，而是在至少八個不同的地下哺乳動物家族中都獨立發生了。這強烈暗示，對于選擇地下生活的哺乳動物來說，失去Krt9基因是一種普遍的適應策略。

一只生活在烏克蘭的盲鼴鼠

（圖片來源：維基百科）

沒有“外援”，全憑實力：微生物伙伴的“意外缺席”

在研究地下動物的適應機制時，科學家們原本以為腸道微生物也參與了這場適應性演化的“大合唱”。畢竟，在我們已知的許多例子中，動物都會借助腸道中的微生物伙伴來適應特殊環境。

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，適應高海拔的低氧環境。還有專門吃螞蟻的動物，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出相似性，特別是在消化螞蟻外殼中的幾丁質方面。

然而，地下哺乳動物卻給了研究人員一個意外。通過對包括中華竹鼠、長尾鼩鼴在內的多種地下動物的腸道微生物分析，研究人員發現，不同種類的地下動物擁有完全不同的腸道微生物群落。

原來，這些地下動物雖然都選擇了地下生活，但它們的食性、消化系統結構以及進化歷史都不相同。有些是食草動物，有些是食蟲動物；有些有復雜的消化系統，有些則比較簡單。這些差異的影響可能比棲息環境的影響更大。

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

因勢而為：基因組主導的生存哲學

依靠改造自身基因組來適應極端環境，而非依賴微生物伙伴的幫助，這便是地下哺乳動物智慧的生存哲學

這種策略有其獨特的優勢。雖然基因改變需要很長的演化時間，但一旦形成，就非常穩定可靠。就像是給自己的身體安裝了一套永不會背叛的“內置工具”，無論走到哪里，都能隨身攜帶。

相比之下，依賴微生物伙伴的策略雖然可能更加靈活，但也沒那么“靠譜”。微生物群落可能會因為飲食、環境或其他因素發生變化，從而影響宿主的適應能力。

這種差異告訴我們，面對相似的環境挑戰，不同的生物類群可能會選擇截然不同的解決方案。有些選擇“內功修煉”（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。每種策略都有其獨特的優勢和適用條件。

智慧延伸：自然界工程師對人類的啟示

地下哺乳動物就像是自然界的“地下工程師”。它們不僅為自己設計了完美的地下生存裝備，還在生態系統中發揮著重要作用：它們的挖掘活動就像天然的“犁田機”，不斷翻松土壤，改變地貌，促進植物生長和生態系統的更新；它們還是土壤中碳循環和營養循環的重要參與者，對維持地下生態系統的健康具有不可替代的作用。

對于人類來說，地下哺乳動物的適應機制也提供了寶貴的啟示。比如，它們應對缺氧環境的分子機制，可能為治療心腦血管疾病提供新思路；它們長期生活在多是病菌的土壤里，卻很少生病，這種獨特的免疫調節方式可能啟發新的免疫治療方法；特別是裸鼴鼠的長壽特征，更是抗衰老研究的熱點，或許未來從這里，我們能找到延緩人類衰老的秘密。

更重要的是，這項研究展示了現代分子生物學技術的強大威力。通過基因組學、轉錄組學等多種技術的結合，科學家們終于能夠深入到分子層面，理解這些神奇適應現象背后的機制。這不僅滿足了人類的好奇心，也為未來的應用研究奠定了基礎。

這項研究讓我們看到了生命適應極端環境的多樣性和自然界中蘊藏著的無窮智慧。隨著環境變化日益加劇，理解這些適應機制不僅有助于保護生物多樣性，也可能為人類應對未來挑戰提供靈感。

參考文獻：

1. Li, Kexin, et al. "Host genomic convergence, rather than gut microbiome convergence, underlies the convergent evolution of subterranean adaptation in mammals."Cell Reports44.8 (2025).

出品：科普中國

作者：郭菲（煙臺大學）

監制：中國科普博覽