動物如何傳承適應環(huán)境的能力

新的研究表明，在一些物種中，父母的經(jīng)歷可以幫助它們的后代更好地生存下去。在瞬息萬變的海洋環(huán)境中，這是一個充滿希望的好消息。這些研究大多集中于珊瑚礁魚類，這些物種具有高度的內在變異性和可塑性。

眾所周知，我們的父母總是喋喋不休地給自己的后代提出各種建議，希望給子女不確定的未來提供更多更好的經(jīng)驗，少走彎路，創(chuàng)造更多更佳的生存機會。人類就是這樣，一代又一代地將自己的經(jīng)驗傳遞給后代。那么，其他物種是否也有類似的本能呢？它們又是通過什么樣的途徑來實現(xiàn)自己的愿望呢？

多棘雀鯛將適應環(huán)境溫度的能力傳給后代

2018年，澳大利亞科學家蒙迪發(fā)現(xiàn)：巖礁魚能夠繼承父母耐海洋變暖的能力，因而巖礁魚寶寶生下來就能適應海洋變暖的環(huán)境。該研究發(fā)現(xiàn)，與之前的認識不同，在海洋環(huán)境變化中，動物不只是無助的受害者，不會完全被動地面對一個不可避免的毀滅性未來。動物父母所經(jīng)歷的一切環(huán)境變化，塑造了動物后代對變化環(huán)境的適應性。比如，魚就擁有這種驚人的適應能力。

在比正常溫度高幾攝氏度的水中長大的多棘雀鯛的后代能夠更好地在溫度升高的海洋環(huán)境下生存。

在實驗室里，科學家培育出了適應變暖環(huán)境的一種小熱帶魚——多棘雀鯛。如今，夏季海洋平均水溫比以往高1～2℃，這對大多數(shù)珊瑚礁魚都會產生負面影響，例如，這種變化會使多棘雀鯛的游泳能力或生長速度受到影響，而且由于較高水溫導致水中含氧量減少，魚兒的呼吸也會受到影響。

在實驗室里，當飼養(yǎng)的多棘雀鯛生活在比如今海洋溫度高3℃的水中時，它們的后代就擁有了在比海洋溫度高3℃的水中仍然能夠獲得足夠氧氣，以維持正常生存的能力。這一實驗表明，生活在較高水溫下的多棘雀鯛父母產下的幼魚能夠更好地適應較高水溫的海洋環(huán)境。

后代從父母經(jīng)歷中受益而獲得適應環(huán)境能力，這不僅僅發(fā)生在魚的身上。水蚤是一種生長在淡水湖、池塘和水坑里的生物，這種小型甲殼動物孵化出來的后代，既可以是圓頭，也可以是尖頭。科學家發(fā)現(xiàn)：如果水蚤與魚、蠓或其他昆蟲共享水源，就會長出帶刺的尖頭，那就是它的保護“頭盔”，這有助于減少水蚤被吃掉的可能性。對于許多種類的小水蚤來說，它們是否長出這種防護性的“頭盔”，要取決于它們母親的經(jīng)歷。如果水蚤媽媽在懷孕期間接觸到某種捕食者的化學信號，那么它就會生出更多帶有尖頭的后代。

圖中所示的水蚤，可能生來就有或沒有刺或棘。它們是否能夠長出具有保護性的“頭盔”取決于它們母親的生存體驗。

這種驚人的可塑性也存在于其他物種中。例如，如果蚜蟲和捕食者生活在同一個棲息地，蚜蟲的后代就能長出翅膀，以便遠走高飛，躲避被捕食的厄運。也就是說是蚜蟲父母的生存環(huán)境決定了后代是否應該長出翅膀，而蚜蟲后代自身的可塑性則決定了它們可以長出翅膀。這聽起來就像童話故事令人感到不可思議：周圍環(huán)境變化導致主人公長出了翅膀！但在自然界中，這就是真實存在的。

正是這些現(xiàn)象吸引蒙迪進行這方面的研究。他想知道：動物是如何受到氣候變化影響的，它們是否能夠適應這種變化，它們又是如何將這種適應性傳遞給它們后代的？

氣候變化迫使海洋魚類生活在更溫暖的水溫和海洋酸化環(huán)境中。蒙迪的研究激發(fā)了更多科學家的興趣，他們試圖了解：在這個快速變化的環(huán)境中，動物后代是如何從父母的經(jīng)歷中獲得有益的生存能力的。蒙迪指出，這背后的原因部分與表觀遺傳學有關。

表觀遺傳學是研究基因表達變化的學科，表觀遺傳與突變的不同之處在于，基因的實際序列（DNA代碼）保持不變。上述實驗室里的那些多棘雀鯛就是一個很好的例子：多棘雀鯛父母被放在更暖的水中并不會改變它們傳遞給幼魚的基本遺傳密碼，但可以對哪些基因會表達出來產生影響。當多棘雀鯛父母接觸到更高的水溫時，似乎決定著DNA序列中某些基因是否打開或關閉——如果多棘雀鯛父母現(xiàn)有的DNA中的某些基因擁有了適應較高水溫的能力，那么后代這些基因的表觀遺傳的開關也將被會打開。

藍頭瀨魚生存環(huán)境決定后代性別

基因表達差異的程度決定了野生種群胚胎中已經(jīng)存在的形態(tài)的可塑性。這也是為什么珊瑚礁魚會成為重要的表觀遺傳學研究對象的原因之一：珊瑚礁魚擁有動物界中極為驚人的可塑性。再如，藍頭瀨魚可以改變性別，雌性可以變身為體形更大、色彩更艷麗、更具領地意識的雄性。有的雄性藍頭瀨魚也可以將自己偽裝得看起來與“柔弱”的雌魚一模一樣。這種偽裝策略讓它們能夠在不被發(fā)現(xiàn)的情況下偷偷潛入更強大雄性的領地內去尋找中意的配偶。

藍頭瀨魚幼魚的性別取決于其早期發(fā)育時周圍潛在“敵人”的數(shù)量，如果它在一個很大的暗礁上孵化，由于那里有很多魚，所以即使是強大的雄性也很難周全地保護它所有“妻妾”。在這種情況下，正在發(fā)育的幼體更有可能成為雄性。生命早期的社會環(huán)境決定了幼魚成為雌性或雄性的軌跡，甚至還有中途改變性別的可能性。一個物種竟然擁有如此復雜的可選擇的策略和可塑性，實在令人吃驚。

某種特性具有有利于生存的可塑性，并不意味著這種可塑性會存在于所有特性中?？茖W家發(fā)現(xiàn)：多棘雀鯛的后代完全能夠在較高的水溫下獲得足夠的氧氣，卻不能繁殖。為什么會這樣？魚兒對海洋溫度上升適應能力的研究在這里遇到了瓶頸。于是，科學家采取了一種循序漸進的實驗策略。他們沒有直接將魚放入比正常溫度高3℃的水中，而是在第一年將魚放入比正常溫度高1.5℃的水中，第二年再放入比正常溫度高3℃的水中，讓它們逐漸適應越來越高的水溫。經(jīng)過這種逐漸適應的策略，這些魚果真就能夠繁殖后代了。換句話說，只要讓魚兒有足夠的時間去適應，它們就能夠安然無恙，正常生存。

藍頭瀨魚有變成雄性或雌性的內在能力，它們的性別很大程度上是由珊瑚礁上的環(huán)境動態(tài)所決定的。

鰩魚表觀遺傳變化可傳遞多代

考慮到全球氣候變暖的頻率和強度不斷上升，珊瑚礁魚是否能夠應對海洋溫度的突然變化和逐漸變化是一個關鍵問題。2018年10月，聯(lián)合國發(fā)布的氣候報告稱，目前全球溫度比工業(yè)化前的水平高出1℃，氣溫的持續(xù)增高加劇了氣候不穩(wěn)定而產生的破壞性影響。2016年，澳大利亞大堡礁30%的珊瑚在長達9個月的可怕海洋熱浪中死亡。溫度升高1～2℃，珊瑚白化現(xiàn)象就會出現(xiàn)。如果珊瑚一直白化，最終就會死亡。2016 ～2017年，大堡礁珊瑚曾發(fā)生了有史以來最嚴重的持續(xù)白化現(xiàn)象。

那么，珊瑚后代能夠從父母的經(jīng)歷中獲得恢復能力嗎？科學家在實驗室里將成年珊瑚暴露在溫度升高和酸化環(huán)境中，然后將它們的后代暴露在同樣的環(huán)境中。結果發(fā)現(xiàn)，如果父母曾經(jīng)歷過短時間的不利環(huán)境，其后代的存活率和生長率都會更高?？茖W家認為，這種快速的適應性也要歸功于表觀遺傳。但是這些適應性能長久持續(xù)下去嗎？在變暖的海洋環(huán)境中，珊瑚生存能力的提高會短暫出現(xiàn)，然后很快消失，還是會遺傳給后代呢？

在加拿大，研究鰩魚的科學家們正在探索這個問題。他們研究了鰩魚兩個種群的遺傳物質，其中一種鰩魚生活在大西洋寒冷的新斯科舍海岸，另一種鰩魚生活在溫度高10℃的圣勞倫斯灣南部。生活在更溫暖的圣勞倫斯的鰩魚體形明顯變小，這是一種適應性改變。變小使得鰩魚能夠在溫暖水域的低氧環(huán)境中生存下來，它們通過表觀遺傳基因修飾實現(xiàn)了較小體形的生理改變。

暴露在較高溫度下的成年珊瑚可以將它們適應氣候變化的一些能力傳遞給后代。

雖然生活在不同地方的兩個鰩魚種群是相同物種，但生活在溫度較高、含氧量較低水域中鰩魚的體形比溫度較低、含氧量較高水域中的同類體形更小。

鰩魚的這兩個種群在地理上的分離已有7000年歷史，但它們在基因上并無差異。也就是說，圣勞倫斯灣南部的鰩魚并沒有進化，它們的DNA與其他鰩魚種群完全相同。但不同的是，它們的基因表達模式總共發(fā)生了3653個變化，使它們的身體適應了更溫暖的海水。研究確定，這些表觀遺傳變化已經(jīng)發(fā)展并持續(xù)了318代。

然而，由于表觀遺傳變化不涉及DNA基因密碼的永久性變化，這種表觀遺傳變化也有可能是可逆的。這一特性正在推動人類醫(yī)學的一場革命。表觀遺傳治療的巨大潛力在于，與基因異常不同，表觀遺傳變化是可逆的，因此，受影響但未發(fā)生基因變異的DNA序列有恢復正常功能的希望。

如今，大量醫(yī)學和生物學研究表明：溫度、激素或其他化學物質的變化都有可能通過改變某些引導基因表達方式的表觀遺傳因子來對DNA產生影響。這與一個多世紀前人們對環(huán)境如何導致變化的理解大相徑庭。早在19世紀80年代，德國生物學家奧古斯特·魏斯曼就曾試圖通過切除連續(xù)五代老鼠的尾巴來研究某代老鼠的變化對下一代老鼠的影響。他得出結論認為，環(huán)境刺激的效果（在這個例子中是切斷老鼠的尾巴）不能傳遞給它的后代，切掉尾巴老鼠的后代生下來都是有尾巴的。但魏斯曼沒有意識到的是，切斷老鼠父母尾巴與老鼠是否有尾巴沒有任何關系。引發(fā)表觀遺傳變化的因素是溫度或化學物質，而不是物理傷害。另外，老鼠天生有沒有尾巴已經(jīng)存在于它們的遺傳密碼中，只有通過遺傳密碼，這種特征才能遺傳下去或表達出來。

斑胸草雀父母警示胚胎適應環(huán)境

科學家不斷發(fā)現(xiàn)令人震驚的動物“跨代適應”的例子。例如，澳大利亞科學家瑪麗特在觀察斑胸草雀的行為時，聽到了一聲她從未聽到過的叫聲。那是一只斑胸草雀在呼喚它還未孵出來的寶寶，它是在與仍在蛋殼里的寶寶交流。但當時瑪麗特還并沒有意識到這一點。

在聽了600個小時的錄音后，瑪麗特發(fā)現(xiàn)，斑胸草雀的父母只有在周圍環(huán)境非常炎熱時才會發(fā)出這樣的叫聲。斑胸草雀的父母通常在孵育后期快結束時才會發(fā)出這種“高溫預警”叫聲。目前還不清楚斑胸草雀選擇這一時機發(fā)出如此叫聲的原因，可能是因為在此之前胚胎還沒有發(fā)展出聽覺能力，無法接收到父母傳遞信息。

在接下來的實驗中，瑪麗特將斑胸草雀卵放在孵化器中，并將它們分成兩組。一組聽到的是斑胸草雀父母通常的叫聲，另一組聽到的是斑胸草雀父母在孵化前5天內發(fā)出的“高溫預警”叫聲的錄音。

雛鳥在孵化出來時身體大小沒有差異。然而，在雛鳥被放置在較涼爽或較炎熱巢穴中24小時內，研究人員就發(fā)現(xiàn)了雛鳥體重的差異，胚胎期聽到過“高溫預警”叫聲的雛鳥發(fā)育較緩慢、體形較小。這是因為，較小的體形更有利于散熱，這是適應高溫環(huán)境的一種優(yōu)勢。當它們長大后，這些聽到過“高溫預警”信號的斑胸草雀，會繼續(xù)尋找更涼爽的筑巢地點，它們比那些沒有準備好應對高溫的同類擁有更多的后代。可見，父母的“言傳身教”使它們更能適應變熱的環(huán)境。

斑胸草雀幼雛的體形大小和它們耐受更高溫度的能力，由父母接觸到的環(huán)境變熱程度決定。

研究表明，在溫度調節(jié)系統(tǒng)形成過程中，聽到“高溫預警”叫聲的雛鳥的身體發(fā)育與它們的兄弟姐妹迥然不同。這種“產前聲學體驗”對于動物適應環(huán)境的研究有很重要的意義。斑胸草雀似乎是在用特殊的叫聲來改變未孵出雛鳥的溫度調節(jié)系統(tǒng)，并長期改變后代對熱的敏感性，讓未孵出的寶寶在胚胎期就為擁有應對極端高溫天氣的能力做好準備。研究表明，鳥類比我們想象的更擅長于應對環(huán)境變化。也許鳥類真的能夠應對并很快適應溫度上升，適應所有那些正在快速發(fā)生的其他環(huán)境變化。

動物們在令人擔憂的環(huán)境變化中積極影響后代的適應能力，這讓我們能夠更好地理解其他物種在整個人類環(huán)境中的代際適應機制。動物世界中的“跨代適應”給我們帶來了更多希望，為人類應對地球變暖環(huán)境提供了更多的可能性。