基因組“身高”決定硅藻“命運”？

長期以來，生物學(xué)家們普遍認為，物種的豐度與其體型大小密切相關(guān)，即，較小的生物體數(shù)量通常比較大的生物體更多。不過，這一規(guī)律在極地地區(qū)并不適用，被稱為伯曼法則。除了體型之外，光照、食物供應(yīng)、競爭和捕食等因素也會影響物種的豐度。

阿肯色大學(xué)的一組生物科學(xué)研究人員最近在物種豐度研究方面取得了新突破，他們發(fā)現(xiàn)基因組大小，也可能是影響物種豐度的重要因素。2024年8月8日，這項研究的論文以《極地海洋中硅藻（diatom）的豐度可通過其基因組大小來預(yù)測》為題發(fā)表在《PLOS生物學(xué)》期刊上，由美國阿肯色大學(xué)生物科學(xué)系的三位作者撰寫。

“基因組大小”指的是生物體單倍體基因組中所包含的DNA總量。硅藻作為重要的初級生產(chǎn)者，在水生生態(tài)系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色。它們通過光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機物，并產(chǎn)生長鏈脂肪酸等物質(zhì)。這些有機物作為能量來源，通過食物鏈傳遞給其他生物，最終進入人類的食物鏈。硅藻的細胞壁由硅質(zhì)組成，其基因組大小的差異與其生態(tài)適應(yīng)性密切相關(guān)。

硅藻還對光合作用起著至關(guān)重要的作用，光合作用是將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣的過程。據(jù)估計，地球上20-25%的氧氣來自硅藻，比熱帶雨林和陸地植物還要多。

（上圖：培養(yǎng)皿中的硅藻。圖片來源：布朗大學(xué)，Wade Roberts）

研究人員通過分析全球各地的硅藻，發(fā)現(xiàn)它們的基因組大小差異很大，有的硅藻的基因組甚至比其他的大50倍！更有趣的是，他們還發(fā)現(xiàn)，雖然硅藻的個頭大，基因組就大，但決定硅藻的生長速度的，卻并不是個頭；而是基因組的大小、環(huán)境溫度。在寒冷的海域，基因組大的硅藻更容易生存，這和我們之前了解的生物規(guī)律是一致的。

也就是說，通過系統(tǒng)地分析了全球分布的硅藻的細胞體積、基因組大小與物種豐度之間的關(guān)系之后，研究人員發(fā)現(xiàn)的這個現(xiàn)象挑戰(zhàn)了之前的“伯曼法則”——這個新的研究發(fā)現(xiàn)，溫度和基因組大?。ǘ皇求w型大?。?，對硅藻的最大種群增長率具有最大的影響。然而，在較冷的緯度地區(qū)，體型大小仍然很重要，遵循伯曼法則。

上圖：緯度、海洋區(qū)域和溫度相互作用，塑造了基因組大小與豐度之間的關(guān)系。圖（A）和（B）展示了Tara Oceans考察中210個采樣站的位置，其中（A）圖標明了位于北極、南極和南太平洋的采樣點，（B）則標示了采集時各地點的溫度。圖（C）至（E）展示了貝葉斯多層次回歸模型如何通過基因組大小與（C）緯度、（D）海洋區(qū)域或（E）溫度的交互作用來預(yù)測相對物種豐度。在圖（C）中，緯度的非線性效應(yīng)使用廣義加法模型進行了建模。圖（D）中，北極、南極和南太平洋的顯著估計值以實線顯示，而其他海洋區(qū)域的非顯著估計值則以虛線表示。圖源：Roberts WR, Siepielski AM, Alverson AJ (2024)

該研究的作者韋德·R·羅伯茨（Wade R. Roberts）指出，硅藻的基因組大小，對其細胞功能和適應(yīng)環(huán)境的能力至關(guān)重要。

“在浮游植物中，細胞大小與基因組大小高度相關(guān)，”羅伯茨解釋道?！拔覀円呀?jīng)知道這一點一段時間了。但我們不確定是細胞大小驅(qū)動基因組大小，還是相反。通過路徑分析，我們能夠直接測試這種方向性。我們發(fā)現(xiàn)，基因組大小的增加導(dǎo)致細胞大小的增加。因此，我們證實了基因組的大小驅(qū)動了細胞的大小?！?/p>

上圖展示了一種硅藻的細胞結(jié)構(gòu)，盡管初看可能難以察覺其復(fù)雜性，但硅藻實際上是具備典型細胞器的真核生物。細胞的主要結(jié)構(gòu)包括：1) 細胞核：儲存遺傳物質(zhì)；2) 核仁：染色體所在位置；3) 高爾基體：修飾蛋白質(zhì)并將其運輸出細胞；4) 細胞壁：細胞的外膜；5) 炭酸酯體：碳固定的中心；6) 色素體：含有色素的膜結(jié)構(gòu)；7) 液泡：包含液體的膜結(jié)合囊泡；8) 細胞質(zhì)絲：支撐細胞核；9) 線粒體：為細胞生成ATP（能量）；10) 閥/紋理：允許營養(yǎng)物質(zhì)和廢物進出細胞。作者：Clumsybatman 圖源：Wikipedia（CC-BY-4.0）

不同物種的硅藻基因組大小可以相差50倍，但大部分遺傳物質(zhì)差異是由重復(fù)DNA構(gòu)成的。DNA編碼蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生命的構(gòu)建塊，但尚不清楚重復(fù)DNA如何被細胞利用。據(jù)估計，人類基因組中只有約2%編碼基因。

綜合這些結(jié)果，這項研究突出了在宏觀進化過程中，基因組大小這一新興特征所帶來的細胞及生態(tài)層面的連鎖反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)揭示了基因組大小作為生物體最基本、不可簡化的特性之一，對物種豐度的重要影響。也就是說，這項研究的結(jié)果通過表明一個對所有生命都至關(guān)重要的單一新興性狀——基因組大小，可以預(yù)測全球范圍內(nèi)的物種豐度，從而推動了對物種豐度的理解。

上圖是通過顯微鏡觀察到的各種硅藻。這些樣本生活在南極麥克默多灣的年冰晶體之間。圖像來源于1983年的原始35mm Ektachrome膠卷。這些微小的浮游植物被硅酸鹽細胞壁包裹著。圖像由Prof. Gordon T. Taylor提供，來自石溪大學(xué)（Stony Brook University，并由NOAA Corps Collection保存。圖源：Wikipedia（公域圖片）

羅伯茨說：“較大的生物體在極地地區(qū)更為豐富。這對于哺乳動物和其他多細胞生物來說是正確的。但我們不知道這是否適用于浮游植物?，F(xiàn)在，我們可以根據(jù)溫度預(yù)測群落組成。這將有助于我們預(yù)測較大的硅藻是否能夠在變暖的水域中生存?！?/p>

在一個不斷變暖的星球上，這可能意味著大細胞硅藻的減少和潛在的氧氣輸出下降。

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01什么是伯曼法則？

這項研究中提到的伯曼法則（Bergmann's Rule），是一個重要的生態(tài)學(xué)原理，由19世紀的德國生物學(xué)家克里斯蒂安·貝爾曼（Christian Bergmann）首次提出。這個法則主要探討了物種體型與其棲息地緯度之間的關(guān)系。根據(jù)伯曼法則，同一物種的個體在寒冷氣候中的體型通常會比在溫暖氣候中的體型要大。這意味著，生活在高緯度地區(qū)的動物通常比生活在低緯度地區(qū)的動物體型更大。

一個例子是北極熊（Ursus maritimus）是伯曼法則的經(jīng)典例證。北極熊生活在寒冷的北極地區(qū)，其體型較大，體重可以達到400至600千克。其較大的體型有助于減少熱量的散失，幫助它們在嚴寒的極地環(huán)境中維持體溫。與之相對的是，生活在溫暖氣候中的棕熊（Ursus arctos），它們的體型通常較小，這使得它們更適應(yīng)溫暖的環(huán)境。

另一個例子是南美的大羊駝（Lama glama）。生活在南美洲高山地區(qū)的大羊駝體型較大，這有助于它們在高海拔、寒冷的環(huán)境中保暖。而在低海拔、氣候較溫暖的地區(qū)，它們的近親——安第斯駱駝（Vicugna vicugna）體型則較小。這種體型差異同樣符合伯曼法則，即高緯度或寒冷環(huán)境中的動物通常體型較大，以便更好地保持體溫。

在鳥類中，冰島的大西洋鹱（Puffinus puffinus）也是一個好玩的例子。它們的體型比較大（相較于生活在溫暖地區(qū)的同種鳥類來講），這使得它們能更好地適應(yīng)寒冷的環(huán)境。大體型能有助于減少熱量的散失，使這些鳥類能夠在極寒的北極和亞極地區(qū)成功生存。

換句話說，伯曼法則對于這個現(xiàn)象的解釋，在于體型對動物生存的適應(yīng)作用。較大的體型具有較大的體積和相對較小的表面積，這有助于減少熱量的散失，從而在寒冷環(huán)境中更有效地維持體溫。這種體型上的差異使得動物能夠更好地適應(yīng)寒冷氣候，提高生存幾率。

雖然伯曼法則的的確確在許多動物中得到了驗證，但，也存在一些例外。例如，一些生活在極寒地區(qū)的小型昆蟲和其他小型動物，并未完全遵循這一規(guī)律。盡管如此，伯曼法則仍然為我們理解動物體型的地理變異提供了重要的科學(xué)依據(jù)，并揭示了體型如何通過適應(yīng)環(huán)境溫度來增強生存能力。這一原理在解釋極地和亞極地地區(qū)動物的體型變化時具有重要的科學(xué)意義。

02什么是物種豐度？

物種豐度（species abundance）是這項研究中的關(guān)鍵詞。物種豐度是生態(tài)學(xué)中用來描述特定區(qū)域內(nèi)某一物種個體數(shù)量的一個重要概念。它衡量的是在某一生態(tài)系統(tǒng)或環(huán)境中，某種物種的個體有多少。物種豐度有幾種不同的表現(xiàn)形式。

首先是“絕對豐度”，指的是某一物種在特定區(qū)域內(nèi)的總個體數(shù)量。例如，在一片森林中，可能會有1000棵某種樹木，這就是這種樹的絕對豐度。又比如，在一個城市公園的鳥類調(diào)查中，研究人員記錄到某種鳥類的絕對豐度為150只；這意味著：在該公園內(nèi)，科學(xué)家實際觀測到的這種鳥類的總數(shù)量是150只。這一數(shù)據(jù)可以幫助評估鳥類的種群規(guī)模和生境適宜性。

而“相對豐度”，則表示某一物種個體數(shù)量在所有物種中的比例或占比，通常用百分比來表達。比如，在一個生態(tài)系統(tǒng)中，如果某種昆蟲的個體數(shù)量占所有昆蟲的30%，那么它的相對豐度就是30%。又比如，在一個湖泊的生態(tài)系統(tǒng)中，科學(xué)家調(diào)查發(fā)現(xiàn)湖中有2000條魚，分屬于10種不同的魚類。如果其中500條是某種魚類，那么這類魚的相對豐度就是500條/2000條，即25%。這說明這類魚在湖泊中的比例是25%。

此外，“種群密度”則指的是每單位面積、或體積中的個體數(shù)量。例如，在一立方米的水中，如果有20條魚，那么魚類的種群密度就是20條/立方米。又比如，在森林生態(tài)系統(tǒng)中，假設(shè)在一個10平方米的森林區(qū)域內(nèi)，科學(xué)家記錄到100棵某種樹木，這樣該樹種的種群密度就是10棵樹/平方米。這種測量有助于評估森林的植被覆蓋情況以及樹木在特定區(qū)域的分布密度。

物種豐度對于理解生態(tài)系統(tǒng)的健康和功能至關(guān)重要。它可以反映生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和穩(wěn)定性，也有助于研究物種之間的相互作用及生態(tài)平衡。通過分析物種豐度，生態(tài)學(xué)家可以評估環(huán)境變化和人為活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響，從而進行有效的生物群落管理和保護。

思考題·舉一反三

Q1、基因組大小與物種豐度的關(guān)聯(lián)是否意味著我們可以通過操縱基因組來控制生態(tài)系統(tǒng)的物種組成？這個問題直接切入研究的核心發(fā)現(xiàn)，并引發(fā)對生物技術(shù)應(yīng)用的倫理思考。它鼓勵讀者思考：如果我們可以通過基因工程改變物種的基因組大小，從而影響其豐度，那么這是否意味著人類可以扮演“造物主”的角色，對生態(tài)系統(tǒng)進行人為干預(yù)？這樣的干預(yù)可能帶來哪些意想不到的后果？

Q2、氣候變化對不同基因組大小的硅藻的影響是否會進一步加劇海洋生態(tài)系統(tǒng)的失衡？考慮到氣候變化對海洋溫度的影響，這個問題將研究結(jié)果與現(xiàn)實世界聯(lián)系起來。它鼓勵讀者思考：隨著全球變暖，基因組大小較大的硅藻是否會因無法適應(yīng)高溫而逐漸減少？這種變化會對海洋食物鏈、碳循環(huán)以及全球氣候產(chǎn)生怎樣的影響？

Q3、這項研究成果對于保護生物多樣性有何啟示？這個問題將研究的學(xué)術(shù)價值與現(xiàn)實的保護問題聯(lián)系起來。它鼓勵讀者思考：了解基因組大小與物種豐度的關(guān)系，對于制定更有效的物種保護策略有何幫助？例如，我們可以根據(jù)不同物種的基因組大小，有針對性地采取保護措施，以應(yīng)對氣候變化等全球性挑戰(zhàn)。

Q4、基因組大小是否真的是決定硅藻豐度的唯一關(guān)鍵因素？這篇文章表明，基因組大小在冷水區(qū)域?qū)柙遑S度的預(yù)測能力很強，但除了基因組大小、溫度之外，還有哪些其他環(huán)境或生物因素可能會影響硅藻的豐度？例如，光照強度、營養(yǎng)鹽濃度或海洋酸化是否也可能對硅藻的分布和數(shù)量產(chǎn)生顯著影響？而且，重復(fù)DNA對基因組大小的影響，是否普遍適用于所有物種？因為該研究指出，基因組大小的差異主要是由于重復(fù)DNA的量不同。那么，這種現(xiàn)象是否在其他類型的生物（如植物、動物或其他微生物）中也同樣存在？這種現(xiàn)象是否會影響我們對其他生態(tài)系統(tǒng)中的物種豐度的預(yù)測？

歡迎分享你的想法?。ㄕ埼哪┝粞裕?/p>

THE END

本文僅代表資訊，不代表平臺觀點。供參考。

信息源 | 布朗大學(xué)、PLOS Biology
編譯 | 王芊佳
編輯 | Daisy
排版 | 綠葉

參考資料略