說到生物演化，很多人印象中這是一個緩慢、漸進(jìn)的過程，可能需要以成千上百年為時間尺度才能理解生物如何通過遺傳變異適應(yīng)環(huán)境的變化。然而，頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》剛剛發(fā)表的一篇論文，也許會改變你對演化時間尺度的想法。

　　在這項新研究中，美國賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員通過一項巧妙設(shè)計的田間實驗，追蹤果蠅在自然環(huán)境條件變化過程中發(fā)生的變化，觀察到了令人驚奇的適應(yīng)速度：在短短四個月的實驗過程中，研究人員就在果蠅基因組中超過60%的地方記錄到了變異！

　　果蠅的壽命通常為兩三個月，壽命短、繁殖快的優(yōu)勢正是它們成為生物科學(xué)家“實驗寵兒”的重要原因。即便如此，它們的演化速度到底有多快，以前沒有人直接觀察到過。用這項研究的共同通訊作者、生物學(xué)教授Paul Schmidt的話說，要建立一個新的范式，直接觀察動物種群如何持續(xù)地適應(yīng)環(huán)境條件的快速變化，按過去對演化時間尺度的認(rèn)知，是很難測出來的。

　　然而Schmidt教授和同事們觀察果園中的果蠅時，注意到生長季節(jié)伊始出現(xiàn)的果蠅，與豐收季節(jié)密集出現(xiàn)的果蠅，在壓力耐受性、生殖適應(yīng)性甚至色素沉著等方面有很大不同。這一現(xiàn)象提示，這些動物種群隨季節(jié)變化產(chǎn)生的適應(yīng)性或許速度超出人們原來的想象。

　　不過要確認(rèn)這一點，需要嚴(yán)格地控制研究條件。于是，他們在果園中搭建起實驗大棚，在現(xiàn)實生活環(huán)境條件下（刮風(fēng)下雨、寒冷、炎熱等）研究果蠅。

　　一開始，他們往十個大棚里各投放了1000只果蠅，除了提供相同的食物外，其余任果蠅自我發(fā)展。它們在里面飛快繁殖，高峰期每個大棚里的種群數(shù)量可達(dá)10萬只。

　　▲研究人員在果園設(shè)立的實驗棚可以防止果蠅自由進(jìn)出（圖片來源：參考資料[2]；Credit：Eric Sucar/University of Pennsylvania）

　　此后的每個月，研究人員從每個大棚里采集一些果蠅個體和數(shù)千枚蟲卵，分析六種代表適應(yīng)性的身體特征，包括繁殖成功率、發(fā)育速度、耐寒性、耐旱性等，這些特征在過去很多研究中已經(jīng)知道受多個基因控制。同時，研究人員還會每個月從每個大棚里隨機選擇100只果蠅，通過基因組測序，高度準(zhǔn)確地知道基因組中不同位置上等位基因頻率隨著時間推移發(fā)生的變化。

　　春去秋來，整個實驗過程大約覆蓋了10代果蠅。研究人員收集并分析的身體特征和基因組數(shù)據(jù)給出了清晰的證據(jù)：果蠅一直在演化，以適應(yīng)不斷變化的自然環(huán)境，而且演化速度比以往任何人測量的都要快。

　　適應(yīng)幅度出乎意料的大，超過60%的基因組在發(fā)生直接或間接的變化！研究人員解釋，這不是說進(jìn)化選擇作用在大半部分的基因組上，而是在“遺傳牽連效應(yīng)”（genetic draft）過程中一部分DNA發(fā)生變化“牽連”了另一部分DNA。

　　本研究發(fā)現(xiàn)的另一個有趣之處是，適應(yīng)的方向多次發(fā)生變化，隨著環(huán)境條件的變化像鐘擺一樣來回擺動。“你會看到一個特征可能在幾周內(nèi)朝這個方向演化，然后在下個月反轉(zhuǎn)方向，這是非常令人驚訝的，”研究論文的第一作者Seth Rudman博士指出，“這描繪了一幅真正的動態(tài)適應(yīng)和選擇圖景。自然選擇的方向在變，目標(biāo)也在變，而且變化非常迅速。”

　　而這種波動，研究人員認(rèn)為可能是導(dǎo)致過去的研究低估適應(yīng)速度的一個原因，因為一旦時間拉長進(jìn)行測量，可能回到了原點，看似沒有發(fā)生變化。

　　“我們看到種群能夠迅速響應(yīng)環(huán)境條件的變化，”Schmidt教授補充，“而且這種變化不是針對某個選擇性的條件（比如干旱），而是種群在整個實驗過程中不斷演化和改變。” 

　　盡管果蠅的壽命比人類短得多，繁殖速度比人類快得多，但研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)對于我們理解和測量人類適應(yīng)環(huán)境變化的演化速度同樣提供了重要的洞見。“我認(rèn)為這樣的過程在許多不同的物種中發(fā)生，只是更難在適當(dāng)?shù)臅r間尺度上測量，”Schmidt教授說。“對于果蠅來說，適應(yīng)的壓力可能隨著季節(jié)而來，對于人類來說，則可能是氣候變化、農(nóng)業(yè)、以牛奶作為食物來源，等等。這可能是普遍現(xiàn)象。” 

　　參考資料：

　　[1] Seth Rudman et al。， （2022） Direct observation of adaptive tracking on ecological time scales in Drosophila。 Science Doi： 10.1126/science.abj7484

　　[2] Rapid adaptation in fruit flies。 Retrieved Mar。 17， 2022 from https：//www.eurekalert.org/news-releases/946202

　　本文來自藥明康德