在不列顛哥倫比亞省溫哥華島的偏遠(yuǎn)地區(qū)，肯尼迪湖的深藍(lán)色海水面積超過25平方英里。這個湖泊是三足動物的棲息地，是一種小型魚類，為進(jìn)化研究提供了豐富的飼料。這些棘魚在海洋和淡水棲息地中茁壯成長，并存在于北美洲，歐洲和亞洲北部海岸的大部分內(nèi)陸水域。對于科學(xué)家來說，這個物種具有顯著的變異特征，這個特征由一個基因控制：骨骼上的骨質(zhì)或“鎧裝”的數(shù)量。

根據(jù)賓夕法尼亞大學(xué)博士后研究員Seth Rudman領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究，這種微小魚類中該基因的變異有可能改變更廣泛的水生生態(tài)系統(tǒng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，攜帶更多裝甲的魚將更多的磷釋放到周圍的水中。由于磷是水生生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元素，因此這種差異可能對淡水或海洋區(qū)域的微生物，植物和藻類產(chǎn)生涓滴效應(yīng)。

“基因組學(xué)在推動許多學(xué)科和子學(xué)科的生物學(xué)研究方面發(fā)揮了如此重要的作用，”該工作的第一作者魯?shù)侣f，他在不列顛哥倫比亞大學(xué)(UBC)的博士研究期間與同事完成了調(diào)查。 。“但我認(rèn)為最重要的是這項研究的動機(jī)是我們?nèi)绾螒?yīng)用基因組學(xué)來幫助我們更好地理解生態(tài)系統(tǒng)?在某種程度上，我將這項工作視為一種概念驗證，即存在變化的情景在個體基因中可以對生態(tài)產(chǎn)生影響。“

該團(tuán)隊使用新穎的方法來評估進(jìn)化如何影響單個魚的元素組成，基本上將生物體視為一袋原子 - 碳，鈣，鍶等。他們發(fā)現(xiàn)的進(jìn)化表明，進(jìn)化不僅可以區(qū)分海水魚類的元素組成，還可以影響它們與淡水對應(yīng)物質(zhì)的組成，但也影響了它們從環(huán)境中吸收元素的能力。

“我認(rèn)為進(jìn)化確實影響了這些魚的離子運(yùn)動這一事實令人驚訝，”Rudman談到這項工作，該工作發(fā)表在“ 生態(tài)快報”雜志上。

一般來說，海水中的粘性物質(zhì)具有更多的電鍍，而淡水中的粘性物質(zhì)則更少。但肯尼迪湖的頑固種群不同尋常，因為它具有穩(wěn)定的“低鍍”和“高鍍”魚種群，由Eda基因控制，使其成為理想的研究地點(diǎn)。

當(dāng)Rudman及其同事從湖中收集兩種類型的魚并將它們放入過濾水中時，他們發(fā)現(xiàn)與低鍍魚相比，高鍍金的魚排出更多的磷。他們還使用更常與毒理學(xué)研究相關(guān)的方法來追蹤放射性同位素，他們還發(fā)現(xiàn)高鍍量魚類攝入的鈣更多。

這一發(fā)現(xiàn)表明，魚類所具有的Eda基因版本會影響它與周圍環(huán)境的相互作用，從而可能引發(fā)整個生態(tài)系統(tǒng)的影響。

小魚中的一個基因如何改變水生生態(tài)系統(tǒng)

Threespine stickleback占據(jù)了北緯湖的湖泊，是一種對進(jìn)化研究產(chǎn)生巨大影響的小魚。賓夕法尼亞大學(xué)的一位生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一個基因會影響他們與環(huán)境的互動方式。圖片來源：Seth Rudman

在研究的第二部分中，Rudman和共同作者觀察了不列顛哥倫比亞省其他地區(qū)的魚類，從海洋環(huán)境中收集魚類，其中魚類往往更多，或與低水平相關(guān)的淡水魚類，以尋找標(biāo)志人口已適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和這些變化的生態(tài)影響。為此，研究人員檢查了魚是用化學(xué)方法制成的。

“我認(rèn)為本文的一個較新的組成部分是我們能夠?qū)⑦@些生物體視為化學(xué)混合物，”Rudman說，“當(dāng)我們這樣做時，我們能夠明確地將它們的變化與其中的變化聯(lián)系起來。他們與環(huán)境互動的方式。“

研究小組發(fā)現(xiàn)，野生捕獲的海洋和淡水魚在它們所謂的“離子組”中的含量差異很大。即使在淡水中養(yǎng)殖海魚并在淡水中養(yǎng)殖淡水魚，這些差異仍然存在。

然而，魚也顯示出適應(yīng)新環(huán)境的跡象。

“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海水魚被放入淡水中時，它們吸收磷的能力就會增加，”魯?shù)侣f。“這很有意義，因為磷在淡水系統(tǒng)中確實是一個限制因素。”

總之，該研究指出了一個罕見的案例，科學(xué)家能夠?qū)⑦z傳差異與物理特性聯(lián)系起來，然后將這種特性與潛在的生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)聯(lián)系起來，因為其他生物可以利用魚類擠出或吸收的元素。 。Rudman還指出，研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了影響這些生態(tài)影響的進(jìn)化變化有多快。

“達(dá)爾文說，進(jìn)化是緩慢的，發(fā)生在永恒之中，生態(tài)正在我們的后院發(fā)生，”魯?shù)侣f。“但事實并非如此。在許多系統(tǒng)中，進(jìn)化正在迅速發(fā)生，在一個夏天，果蠅或者十年間會發(fā)生混亂。”

他補(bǔ)充說，快速進(jìn)化是我們今天看到的條件變化的一個特征，將會產(chǎn)生生態(tài)后果，并且可能有一天可以幫助科學(xué)家預(yù)測物種將如何應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)。

“這提供了一種方法，在這種方式中，進(jìn)化和生態(tài)可以在確定未來條件下種群和物種的命運(yùn)時緊密耦合，”Rudman說。