揭秘蛇的進化

葛興芳

到目前為止，世界上蛇約有3400種，除了寒冷的南極北極，它們幾乎遍布在世界的任何一個地方。盡管每當提到蛇，人們就會不由得緊張，即使是生物學家也會心跳加快……但是，仍有一些研究者對它們樂此不疲，津津樂道。因為它們是地球上進化最為奇特的脊椎動物。

身體的變化

蛇的進化方式非常奇特，最顯著的特點是四肢在進化過程中退化，從而形成了細長而光滑的軀體。除此之外，它們的身體內部也發(fā)生了不尋常的變化。內部器官最大程度地減少和減輕，沒有膀胱，左側臟器較右側的小，左肺明顯縮小甚至缺失。不僅如此，它們還進化出了一個神奇的熱量感知器官和動物界最復雜的毒液系統(tǒng)，并且相比較其他哺乳動物，它們的能量代謝系統(tǒng)在分子水平就發(fā)生了改變，可以更靈活地大幅度地調節(jié)身體的代謝。

蛇類科學家們認為，在進化上，蛇就像是一種經過重新設計的生物。近年來，研究人員首次完成了對兩種蛇的基因組測序，于是得以追蹤蛇的進化歷程。

蛇類的進化開始于距今1億年前，可能與蜥蜴類的爬行動物類似。然而，生物學家對于蛇最初是由什么生物進化而來的至今尚無統(tǒng)一定論。有人認為蛇起源于海洋爬行動物——滄龍；更主流的觀點認為，許多證據證實蛇的祖先來自于陸地。

目前科學界的主要觀點認為，蛇是從以巨蜥和毒蜥為代表的蜥蜴類群進化而來的。由于最終進化成蛇的那部分蜥蜴在當時穴居在地下洞穴或草叢里，并以昆蟲為食，因此，在隨后的進化過程中，它們的四肢逐漸退化，軀體變長?，F在科學家發(fā)現的原始蛇，也被稱為盲蛇，它們殘存的眼睛根本沒有視力，只能在地下以白蟻和螞蟻為食。這一發(fā)現支持了科學界的關于“最早的蛇在地下穴居生活”的假說。

然而，盡管蛇在進化過程中身體發(fā)生了很大變化，但它們的基因卻很少會發(fā)生突變或缺失?？茖W家們發(fā)現，即使在胚胎期，蛇控制四肢生成的基因仍然是活躍的，但是它們體內的細胞會選擇忽略掉這些信號，從而導致這些基因不表達。同時，蛇的脊椎會以一個難以置信的速度快速發(fā)育，某些種類的蛇其椎骨甚至可多達500多塊。

事實上，由蜥蜴進化成蛇并非難事，現實中已經發(fā)現了好幾個這樣的例子?？茖W家們發(fā)現，目前至少有幾十種蜥蜴的四肢正在退化，只是由于它們絕大多數都是穴居生活，所以很少被人們看到或被發(fā)現而已。

不尋常的能力

后來，原始蛇逐漸爬到地面上來，開始捕捉更大的獵物，于是出現了令人恐懼的響尾蛇和眼鏡蛇等?，F今世界上蛇的種類繁多（據統(tǒng)計約有3400種），除了寒冷的兩極，它們幾乎遍布在世界的任何一個地方，但蜥蜴的分布完全無法與之相提并論。當然，并非所有的蛇不分種類都可以在任何地方生存，如某些生活在熱帶海洋地區(qū)的蛇就絕不會踏足干旱地區(qū)半步。并且蛇的體型可以非常大，如王蛇和蟒蛇是目前世界上最長的蛇，體長可達幾米。但它們仍比歷史上的泰坦巨蟒小。泰坦巨蟒的體長可達10米以上，體重可達1噸以上，曾是世界上最大的蛇。但泰坦巨蟒早在5800萬年前就已經滅絕。

到底是什么原因促使蛇變得如此特別？相比較它們的祖先，除了最明顯的四肢退化，還進化出了一些看似不明顯卻非常不尋常的代謝能力。這些能力在很早的時候就開始進化，如盲蛇的線粒體基因可以編碼調控降低代謝，從而減少能量的消耗。

這種能量代謝機制為蛇到地面上生活奠定了基礎。它們不再以頻繁的捕食螞蟻等小生物為生，而是在一年中僅靠捕食幾次大的獵物就可以積累較多的能量。這樣的結果導致蛇不必再花費大量的時間和精力一直頻繁捕食，甚至當食物短缺時，它們也可以調節(jié)體內的代謝機制順利應對。

對原始的蛇來說，一口吞下遠比它們頭部大許多的獵物是巨大的挑戰(zhàn)，這一非凡的能力已經在進化的過程中逐步完善?？茖W家們發(fā)現，蛇通過長期的進化，其口腔周圍的皮膚在不進食時以特殊的方式折疊，在需要時可以張得很大，幫助它們吞下較大的獵物。同時，蛇在吞咽獵物時，下頜的某些肌肉可以從一個位置拉伸到另一個位置，捕食結束后，又恢復到正常的位置。

蛇的能量代謝適應機制遠比人們想象的更為神奇和絕妙。怎么解釋這種不可思議的進化呢？科學家研究發(fā)現，緬甸蟒蛇在非進食或消化的時候幾乎可以一動不動，此時它們的代謝率是所有脊椎動物中最低的，而當其正常游走時代謝率也很低。因此，從能量代謝上很難看出活蛇和死蛇的差別，同時這也意味著一條大蛇幾個月不進食都不成問題。

代謝奇跡

當一條蟒蛇吞下一只羚羊時，奇跡出現了，它的身體會隨著消化這塊巨大的美食而發(fā)生一系列的變化。在接下來的幾天內，蟒蛇原本小巧的消化道和肝臟的大小都會劇增，腎和心臟的大小也有所增加，它們的代謝速率會增加到45倍以上，堪比賽馬沖刺時的速率。這一速率達到峰值后會平穩(wěn)的持續(xù)一段時間，大約2周后，待食物完全被消化，蛇的一切體征又恢復如常。

然而，如此神奇的代謝是怎么形成的呢？研究人員對一條緬甸蟒蛇和一條眼鏡王蛇進行基因序列測定后發(fā)現了一個驚人的現象：雖然它們參與代謝的7442個基因在其他陸生脊椎動物中都很常見，但有772個基因在自然選擇的作用下發(fā)生了突變，并且其中的516個基因的突變是發(fā)生在距今8000萬年前。幾百個基因的突變看起來似乎并不多，但是這些基因幾乎都不同程度地參與了不同物種的基本代謝過程，因此它們帶來的變化遠遠超過了過去人們的認知。對于蛇而言，這些變化足以使它們能夠根據需要調節(jié)臟器和代謝的變化。

幾年前，有科學家就發(fā)現蛇一直在修復一個內在的進化機制：動物體內有一種蛋白叫“細胞色素氧化酶Ⅰ”，這種蛋白可以幫助細胞氧化食物，從而產生能量，這就是人和動物要呼吸氧氣的原因。10億年來，這種蛋白在大多數的生物體內并沒有改變，但是蛇改變了它的關鍵部分。盡管現在還不能證明這個變化給蛇的能量代謝提供了關鍵的支持，但是科學家認為這極有可能。顯然，升高代謝率對消化大的食物至關重要，當然，這一切的前提是成功捕獲獵物。

在進化過程中，蛇的一個分支進化出了一種特別有效的捕獲獵物方式——注入毒液。

復雜的毒液

目前毒性最強的蛇其復雜的毒牙在8000萬年前開始進化，那個時期也正是無毒的蟒蛇和王蛇從毒蛇的祖先那里分支出來。當時的毒蛇后毒牙長出凹槽，這樣便于毒液流入。而某些蛇的毒牙和凹槽進化到其口腔的前面部位，凹槽加深，形成了中空的結構。這樣上面的毒牙和下面的凹槽在口腔肌肉的作用下形成了一個“針孔注射器”，在攻擊獵物時將毒液注射到獵物體內。

現在科學家還不清楚毒液是否在蛇的進化之初就開始出現。但通過比較蛇的毒液和毒蛋白的相似性，科學家們證實，早在2億年前，蜥蜴就開始進化出了毒液。如果是這樣的話，早先的蛇就可以分泌毒液，并通過它們咬在獵物身上的傷口到達獵物體內。有科學家認為， 毒液和毒蛋白質的相似性可能只是趨同進化的結果，而不能說明毒液和毒蛋白就有共同的進化起源，他們認為毒液在幾個時期已經單獨進行了進化。

蛇的毒液成分非常復雜，其毒素種類可能有100種以上。

科學家曾經試圖通過分析眼鏡蛇的毒液基因辨別它們有哪些基因和緬甸蟒蛇及變色龍的最為接近，結果出乎意料。他們發(fā)現，眼鏡蛇似乎已經重新組裝了它的毒素基因，編碼毒素的20個基因家族的絕大多數基因都是正常的持家基因（注：持家基因，又稱管家基因，是指所有細胞中均要表達的一類基因，其產物是維持細胞基本生命活動所必需的），這些基因在所有組織細胞中都呈低活性表達。當機體生成一個新的毒腺時，這些持家基因都會正常表達，它們經過多次復制，表達分離出多種毒蛋白。

大部分毒蛇的毒液都是由100種以上的毒蛋白復合而成，并且具體成分也隨物種、產地有所不同，有時候同一種屬不同個體之間也會有差異。這些特性使毒蛇在進化的過程中始終保持前茅。設想一下，如果蛇只有一種毒素，那么它的獵物很容易進化出針對此種毒素的抗性。

其實，并不是每一種毒素的作用都僅僅是殺死獵物，它們還可能有其他功能。許多毒蛇，如響尾蛇，它們的毒液中含有豐富的毒素，而響尾蛇的獵物一般都具有較大的體型，當它們咬向獵物時，毒素就會進入獵物體內。研究發(fā)現，響尾蛇的某些毒素可以分解獵物的組織，幫助其盡快地消化獵物。并且響尾蛇毒液中的還有一種被稱為“解聚素”的毒素，可以抑制血液凝固，幫助響尾蛇在動物被咬傷逃跑后通過血液氣味找到它們。

這些僅僅是研究的開始，有科學家正計劃研究更多蛇的基因組。接下來他們首選的就是盲蛇。之所以對其感興趣是因為盲蛇的基因組成和早期馬來蝮蛇相似，都具有紅外感應系統(tǒng)。通過比較這兩種蛇的基因組，科學家們將會揭示蛇類許多特異的組織器官的進化特征。換句話說，蛇的未揭之謎還有很多。

眼睛的進化

盡管蛇在起初的進化中得到了一些非比尋常的能力，但是它們也失去一些能力。在數百萬年的時間里，它們穴居生活在地下，眼瞼閉合，眼睛退化。當它們逐漸到地上生活的時候，它們在原來眼睛的殘留部位進化出一對簡易眼睛。這對眼睛上沒有滋養(yǎng)視網膜的特殊結構存在，因此它們在眼球上進化出毛細血管取代這層結構。然而，事實上，毛細血管擋在視網膜前面，反而模糊了視線。針對這種情況，最近的一項研究發(fā)現，當蛇遇到危險時，它們眼球的毛細血管會比正常情況下收縮更久，以便在這時候讓它們看得更清楚。

不僅如此，早期的蛇還喪失了圖像聚焦的能力。它們的后代又進化出了一種聚焦方法——通過調節(jié)眼球的位置來聚焦，就像福爾摩斯通過移動放大鏡來聚焦一樣。它們曾經閉合的眼瞼現在進化成完全透明狀，由于眼瞼沒有一定的厚度，眼球很容易被刮傷，但劃傷后很快又就會長好。

即便如此，蛇的視力也沒有蛇的其他感覺器官那樣發(fā)育良好。因此，某些蛇在面部進化出特殊的熱感應器官，可以通過紅外線“看清”前面的物體。

一種廣譜的抗蛇毒血清療法

如果你不小心被毒蛇咬傷了，那么必須及時注射一針抗蛇毒血清以中和你體內的毒素，從而挽救性命。那么這種血清是如何發(fā)揮作用的呢？往往許多被蛇咬過的受害者并不知道自己究竟是被哪種蛇攻擊了，因此藥物公司生產出包含多種抗蛇毒血清的混合物，它們可以同時對幾種毒蛇的毒素起作用。然而，這類血清的不足之處在于，往往價格昂貴，并且容易產生過敏反應。

英國一個研究團隊發(fā)明了一種更好的方法：通過識別編碼毒素蛋白的基因區(qū)域——他們發(fā)現，不同種類的毒蛇都有某些相同的區(qū)域。于是，他們設計了針對這些區(qū)域的特定抗體，這種抗體會對這幾種蛇毒都起作用。這樣不僅成本大大降低，而且安全性也高于抗血清。