作為南半球的標志性物種之一褒颈，企鵝雖為鳥類不跟，卻不會飛翔颓帝。它們是如何發(fā)生演化，拋棄藍天轉(zhuǎn)而適應(yīng)了海洋的生態(tài)系統(tǒng)窝革，又是如何在地球上最極端的環(huán)境中生存下來的购城？近日，深圳華大生命科學研究院領(lǐng)銜的一項研究通過多學科聯(lián)合的方式重建了企鵝的起源與演化過程虐译，并以此為案例揭示了環(huán)境變化瘪板、氣候及地質(zhì)事件對生物演化的作用，還通過一系列關(guān)鍵性狀的分子基礎(chǔ)解釋了企鵝如何二次適應(yīng)海洋生態(tài)環(huán)境漆诽。研究成果于2022年7月19日發(fā)表于《自然·通訊》侮攀。
本研究中產(chǎn)生的測序及組裝數(shù)據(jù)已存儲于國家基因庫生命大數(shù)據(jù)平臺（CNGBdb），項目編號為：CNP0000605拴泌。
多學科聯(lián)合解謎
在過去相當長的時間里魏身，企鵝家族的演化歷史撲朔迷離。科學家困惑于企鵝六大支脈之間的關(guān)系蚪腐，始終沒能完全厘清企鵝物種之間的關(guān)系。而已經(jīng)知曉的企鵝化石足足有32個屬税朴，更是增加了理順企鵝演化關(guān)系問題的難度回季。
不能理解企鵝內(nèi)部的演化關(guān)系，就無法了解企鵝是如何逐漸演化出現(xiàn)今的形態(tài)和特征的正林，也無法準確理解企鵝如何在極地環(huán)境的塑造下發(fā)生演化泡一，也無法回答企鵝的飛鳥祖先為何會向海洋發(fā)生二次適應(yīng)的問題。
在這項研究中觅廓，科學家首次在全球范圍收集了包括化石物種在內(nèi)的幾乎所有已知74種企鵝的形態(tài)及地理等數(shù)據(jù)鼻忠，構(gòu)建了全部24種現(xiàn)存企鵝和近代滅絕的3種企鵝的高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)集。
“這是首次在全球范圍內(nèi)公開所有近代企鵝物種的高質(zhì)量基因組杈绸，包括亞種帖蔓、地方支系以及近期滅絕的企鵝物種⊥В”論文第一作者和共同通訊作者塑娇、丹麥生物多樣性基因組研究中心博士后特蕾莎·科爾介紹，“這項研究還融合了基因組學和古生物學等手段劫侧，綜合了滅絕物種和現(xiàn)生類群進行比較分析埋酬，厘清了企鵝成員之間的演化關(guān)系哨啃，也為演化基因組研究提供了許多新方法。”
重建企鵝家族演化歷程
大約在6500萬年前写妥，白堊紀生物大滅絕事件后不久拳球，企鵝的祖先在古西蘭地區(qū)出現(xiàn)了。當時的古西蘭已孤懸于大陸之外珍特，南半球各個大陸分布也已接近今天的位置醇坝，只有南極大陸仍然通過陸橋與南美大陸相連。古企鵝正是從古西蘭地區(qū)開始向古陸橋附近擴散次坡。
4000萬年前呼猪，連接南極和南美兩塊大陸之間的陸橋斷開，陸橋殘存的部分成為了今天的南極半島砸琅。從此宋距，南極洲完全處在海洋的包圍之中，隨著海峽的逐漸打開症脂，環(huán)繞南極的洋流開始形成谚赎，南極大陸的氣候變得更加寒冷。
3400萬年前诱篷，南極冰蓋形成壶唤。在相當長的歷史時期，企鵝主要分布在古西蘭棕所、南極半島和南美洲南部海岸及其附近海域闸盔。這個時期出現(xiàn)了不少巨型企鵝物種，如約2米高的卡氏古冠企鵝是迄今為止所知的最大型企鵝琳省。
直到約1400萬年前迎吵，現(xiàn)代企鵝的共同祖先出現(xiàn)在了古南美洲。它們向南極洲擴散并首先在南極半島和南極大陸分化形成了王企鵝屬针贬，之后击费，其他現(xiàn)代企鵝分支也先后出現(xiàn)。
“現(xiàn)生企鵝的共同祖先出現(xiàn)在大約1400萬年前桦他，之后氣候環(huán)境的變化推動了企鵝物種的快速分化蔫巩，在分化過程中還伴隨著復雜的基因流動，這些對現(xiàn)生企鵝的形態(tài)多樣性的塑造造成了巨大的影響快压≡沧校”論文通訊作者、浙江大學生命演化研究中心教授張國捷告訴《中國科學報》嗓节。
到了距今大約260萬年前的時候荧缘，地球的氣候又發(fā)生了劇烈的變化，第四紀冰期到來拦宣，企鵝家族也隨之發(fā)生了快速演化事件截粗，在較短的時間內(nèi)分化出了大部分的現(xiàn)生物種信姓。它們的分布范圍大為擴展，覆蓋了南極洲和南半球其它各主要大陸的南部海岸绸罗，基本奠定了今天的物種格局意推，成為了南冰洋最主要的海鳥。在這個過程中珊蟀，逐漸增強的南極繞極流很可能為企鵝的傳播提供了重要的助力菊值。
“在過去六千多萬年的漫長時間里，企鵝經(jīng)歷了巨大的環(huán)境變化育灸，尤其是從溫暖亞熱帶到‘寒冰地獄’的變遷腻窒，但是每次環(huán)境劇變后都有企鵝支系能脫穎而出、繁榮興盛磅崭。這提示企鵝有極強的演化適應(yīng)能力儿子，讓我們對于這些神奇動物的未來感到樂觀≡矣鳎”中國科學院動物研究所研究員張德興在采訪中談到柔逼。
環(huán)境雕刻師如何塑造企鵝
當研究團隊站在演化的尺度上去觀察企鵝，發(fā)現(xiàn)了它們的體型逐漸趨向小型化割岛；喙愉适、四肢等形態(tài)特征逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦m合海洋環(huán)境的特征；企鵝的物種數(shù)目由于冰期事件的影響癣漆，也與溫度呈現(xiàn)了相反的變化趨勢维咸。
“傳統(tǒng)上認為熱帶或溫帶生物相對極地生物會有更快的演化速率∑嗣模”論文共同第一作者腰湾、深圳華大生命科學研究院周程冉博士提到，“但我們發(fā)現(xiàn)帝企鵝等高緯度企鵝具有比低緯度企鵝更快的演化速率疆股。意味著南極環(huán)境引起的壓力與歷史氣候波動等因素一同推動了企鵝的擴散與分化，也在一定程度上促進了高緯度物種對極地環(huán)境的適應(yīng)倒槐⊙裕”
此外，研究團隊還找到了一系列關(guān)鍵基因讨越，匯總出了企鵝適應(yīng)寒冷環(huán)境以及水下生活的“基因秘訣”两残。
比如水下視覺能力。相比空氣把跨，海水的透光性要差得多人弓，由于海水的吸收作用，光被迅速削弱着逐，僅有少許藍光等短波長光能到達水下約200m的深度崔赌∫庵“水下視力一直是潛鳥面臨的巨大挑戰(zhàn)，而在企鵝中健芭，一些光敏感相關(guān)的基因生了突變县钥，影響了光傳導通路，促進了對藍光慈迈、紫外光的識別若贮，讓企鵝具備了水下及暗光環(huán)境下敏銳的視覺⊙髁簦”論文共同一作谴麦、深圳華大生命科學研究院生物信息分析師方妙全解釋，正是憑借多視覺基因改變的方式伸头，企鵝獲得了更好的水下視力匾效。
再如，作為具有最強潛泳能力的鳥類熊锭，企鵝中的血紅蛋白和肌紅蛋白具有顯著區(qū)別與其它鳥類的保守位點弧轧，王企鵝屬也有區(qū)別與其它企鵝的保守位點⊥胍螅“這些特征使得企鵝能夠更高效地利用血液中的氧氣精绎，使其自身成為了‘高效富氧艙’，延長了潛水時間锌妻〈耍”方妙全補充道。
此研究是科技部國家重點研發(fā)計劃“海洋環(huán)境安全保障”專項的重要組成部分仿粹，也是萬種鳥類基因組國際項目的成果之一搁吓。?
參考文獻：
Cole, T.L., Zhou, C., Fang, M.?et al.?Genomic insights into the secondary aquatic transition of penguins.?Nat Commun?13,?3912 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31508-9
信息來源：“華大BGI”、“小柯生命”公眾號
