在一項新研究中，亞利桑那州立大學的科學家及其同事研究了自然隔離的水蚤種群 Daphnia pulex 中發生的基因變化。這種微小的甲殼類動物肉眼幾乎看不見，但在淡水生態系統中起著至關重要的作用，為了解自然選擇和進化提供了一個獨特的窗口。

他們的研究成果發表在最新一期的《美國國家科學院院刊》上，該成果基于十年的研究成果。研究小組利用先進的基因組技術分析了近 1,000 只水蚤的 DNA 樣本。

他們發現，自然選擇對單個基因的強度每年都存在很大差異，通過為自然選擇提供原材料，可以保持變異并潛在地增強適應未來不斷變化的環境條件的能力。

在看似穩定的環境中，即使多年來總體選擇強度平均保持在接近零的水平，特定染色體區域基因變異(即等位基因)的頻率也會隨時間發生顯著波動。這表明，這種遺傳變異使種群能夠適應環境變化。

“這項研究首次讓我們了解到即使在看似恒定的環境中也會發生的基因頻率的時間變化，這是一種分布在整個基因組中的基因變異的持續變化，” 新研究的主要作者邁克爾·林奇說。

林奇是生物設計進化機制中心主任 ，也是亞利桑那州立大學生命科學學院 的教授 。這項研究的其他研究人員包括來自亞利桑那州立大學、華中師范大學和圣母大學的同事。

選擇的力量

水蚤是一種浮游動物，幾個世紀以來一直受到生物學家的關注，因為它們在水生生態系統中發揮著關鍵作用，并且能夠適應環境壓力。除了對多代遺傳研究的價值外，水蚤還是廣泛用于淡水毒性測試的模型生物，因為它們具有快速的無性生殖周期，并且對各種環境污染物敏感。

這些微小生物是魚類的重要食物來源，有助于抑制藻類的生長。它們快速適應環境變化的能力可以為其他物種(包括對人類食物供應至關重要的物種)如何應對污染、氣候變化和其他人類引起的壓力提供線索。

研究顯示，在水蚤基因組中，大多數被研究的位點在研究期間經歷了不斷變化的選擇壓力。平均而言，這些壓力趨于平衡，總體影響不大，這意味著沒有一個單一的選擇方向會隨著時間的推移而持續占主導地位。相反，特定特征的遺傳優勢或劣勢會隨著時期而變化。

這些發現挑戰了傳統的信念，即測量遺傳多樣性(一個種群中不同特征的范圍)和遺傳分化(種群之間的差異)可以輕松顯示自然選擇如何持續運作。相反，自然選擇的運作似乎比以前想象的更加微妙和復雜。

重新思考遺傳變異

這項研究開辟了新局面，精確地指出了基因組中選擇壓力發生的時間和地點。除了已知受自然選擇強烈影響的特征外，關于自然種群中等位基因頻率如何隨時間變化的信息很少。

對來自蚤狀水蚤種群的近 1,000 個基因樣本進行的多年全基因組分析表明，大多數基因位點經歷了不同的選擇，平均效應接近于零，這表明在不同時期幾乎沒有一致的選擇壓力，并且選擇分散在許多基因組區域。

這些發現挑戰了對遺傳多樣性和分化作為隨機遺傳漂變和選擇強度指標的通常理解。

變異與生存

觀察到的不同基因位點的選擇模式提供了一種維持遺傳多樣性的機制，這對于快速適應至關重要。該研究還表明，染色體上彼此靠近的基因往往以協調的方式進化。這種聯系使基因變體的有益組合可以一起遺傳，從而有可能加速適應過程。

這種效應可能有助于解釋為什么物種的適應速度有時比科學家通常預期的要快。另一方面，同樣的現象可能導致有害等位基因被相關有益等位基因掃到更高的頻率，在某些情況下降低了選擇的總體效率。

這項研究表明，進化比以前認為的更加動態和復雜。環境對基因的影響經常發生變化，可能有助于物種保持適應未來條件所需的遺傳多樣性。這一新認識可能促使科學家重新思考他們研究野生進化的方式。

雖然這項研究的重點是水蚤，但研究結果可能有助于了解其他物種如何應對快速的環境變化，包括由人類活動引起的環境變化，如污染和氣候變化。評估更穩定環境中等位基因頻率的穩定性是一個重要的初步步驟。這類研究至關重要，因為單靠實驗室實驗無法復制環境對野生種群影響的復雜性。

此外，了解水蚤如何進化可能有助于了解整個生態系統的恢復力。這些知識可以幫助研究人員預測并??盡可能減輕環境變化對生物多樣性和食物網的影響。

隨著世界努力應對日益加劇的環境危機，像這樣的研究為了解大自然的恢復力和適應能力提供了至關重要的見解。通過繼續研究這些微小的生物，科學家們希望更好地了解進化的基本機制，并將這些經驗應用于更廣泛的生態和保護工作。