▎藥明康德内容團隊編輯
當兩個物種擁有相似的性狀特征時，可能的原因是什麼？答案可能是兩者的親緣關系很近，也可能是趨同演化的結果——親緣關系較遠的物種為了适應同樣的環境，也可以演化出部分相似的特征。不過，一項最新研究卻告訴我們：除了這些我們熟悉的答案，一些随機事件也可以導緻這一現象。
在這項線上發表于《細胞》雜志的最新研究中，張國捷教授團隊揭示了在物種快速分化過程中，一類随機事件也可能導緻遠緣物種具有相似的表型。這一發現為準确了解生命演化曆程提供了重要線索。
從最原始的單細胞生物到複雜的人類，自然界的衆多物種共同形成了一棵“生命之樹”——這棵樹反映了各個物種從共同祖先不斷分化、演化至今的曆程。對所有物種來說，找到它們在生命之樹上的位置至關重要，但也充滿了挑戰性。
如何推斷物種的演化曆程？早期的科學家利用的是不同物種的性狀特征：當它們擁有越多相似的性狀，親緣關系可能就越接近。根據這樣的原則，科學家可以描繪出不同物種的形态樹。
而随着遺傳物質DNA被發現，科學家也獲得了繪制生命之樹的新工具。物種間DNA序列的差異可以反映出物種的分化曆程，也就是說，DNA序列越相似，物種在生命之樹上就更接近。
由于表型由DNA決定，理論上攜帶相同表型的物種演化關系也就越接近，是以形态資料和DNA資料應該都可以用來建構物種樹。然而在實際應用中，利用DNA建構的分子樹與形态樹卻時常出現沖突的結果，這樣的沖突尤其常見于經曆過物種快速分化的類群。
是什麼原因造成了這樣的沖突？利用哪種手段為物種溯源，得到的結果才更加可靠？
科學家已經發現，不完全的譜系分流（incomplete lineage sorting）是一個可以導緻上述沖突的因素。簡單地說，就是當多個物種迅速從一個共同祖先中分化出來，它們可能會随機獲得祖先某些基因的不同基因型。這時，這些特定基因在哪些物種中更相近，就是個随機事件。
▲有袋類早期物種形成過程中不完全譜系分流示意圖。最新研究利用有袋類揭示了不完全譜系分流對演化的影響（圖檔來源：馮少鴻等繪）
讓我們以人、黑猩猩和大猩猩為例，來了解這個現象。我們知道，相較于大猩猩，人與黑猩猩的親緣關系更近。如下圖所示，以三者的共同祖先為起點，第一次物種分化形成了大猩猩，它們最終固定了藍色的基因型。同時，人和黑猩猩的共同祖先繼承了橙色和藍色兩種基因型，在第二次物種分化時，可能出現這樣的随機現象：人類固定了藍色的基因型，而黑猩猩随機固定了橙色的基因型。
▲不完全的譜系分流示意圖：每組兩個圓點代表一個個體，每個圓點代表一個基因（圖檔來源：馮少鴻等繪）
這時我們就會觀察到，人的一些基因組序列與大猩猩更相似，而與黑猩猩差異更大。這一點也在基因組測序資料中得到了展現：人的基因組裡超過15%的基因組區域，是與大猩猩更相似的。
事實上，科學家已經在多種經曆過物種大爆發的動物類群中觀察到不完全的譜系分流，但人們不清楚的是，這種現象對性狀的演化是否存在影響。
為了回答這個問題，在最新研究中，張國捷教授團隊利用經曆過物種大爆發的有袋類動物開展研究。長期以來，有袋類動物的演化關系存在争議，争議的來源就在于南美有袋類微獸目（Microbiotheria）的演化地位。
作為微獸目的唯一現存物種，南美洲的小山猴在骨骼、生殖器官和大腦結構等方面卻與大洋洲的有袋類動物（尤其是袋鼠、考拉等雙門齒目）更相似。是以早期的研究猜測，小山猴應該和袋鼠、考拉近緣關系更近，南美洲的小山猴應起源于大洋洲。
▲正在進食的小山猴（圖檔來源：Lida M. Franco）
然而，最新研究通過全基因組研究，徹底推翻了這個猜想。研究結果表明，小山猴與大洋洲的有袋類有共同祖先，但不屬于後者。有趣的是，在有袋類基因組中，有超過50%區域建構出的分子樹與真實的物種分化過程不一緻。一個直覺展現就是，小山猴與一些大洋洲有袋類之間的相似度，要高于大洋洲有袋類之間的相似度。
随後，研究團隊利用博物館館藏标本确認了小山猴的多種骨骼形态特征都與袋鼠和考拉更為相似。進一步篩選出候選基因後，作者在小鼠模型中驗證了，受不完全譜系分流影響的基因型替換确實産生了符合預期的表型結果。
▲小山猴是大洋洲有袋類姐妹群，而非位于大洋洲有袋類内部（圖檔來源：馮少鴻等繪）
是以，在有袋類的案例中，很可能正是不完全的譜系分流導緻了物種間的性狀特征與真實的演化過程不符。一些看起來更相像、甚至部分DNA區域也更接近的不同類群，事實上親緣關系可能更遠。
顯然，不完全的譜系分流帶來的随機性使得生命之樹的繪制變得更加複雜。這也提醒我們，如果直接依靠部分基因或者是部分相似的性狀來追溯物種的演化路徑，很可能會受到誤導、産生錯誤結果。對于生物演化的研究來說，這項研究講述了一個重要準則：全基因組資料才是重構物種發生曆程的金标準。
該成果已線上發表于國際頂級學術期刊《細胞》（Cell）雜志，由張國捷教授團隊聯合深圳華大生命科學研究院，中國科學院昆明動物研究所、動物研究所、哥本哈根大學等多個課題組完成。論文通訊作者張國捷教授近日以講席教授身份加盟浙江大學醫學院，組建生命演化研究中心。論文共同第一作者為現任浙江大學研究員的馮少鴻博士和中國科學院動物研究所白明研究員。
參考資料：
[1] Shaohong Feng, Ming Bai et al. Incomplete lineage sorting and phenotypic evolution in marsupials.Cell(2022). DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.03.034
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