【Gene 愛聊科學】氣候變遷影響生物:暖化卻出現更耐寒的綠變色蜥

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全球大氣二氧化碳濃度迅速增加,直接或間接地導致氣溫上升而造成極端氣候,如不尋常的熱浪、乾旱或暴雨。隨著進一步的升溫,這些氣候「異常」搞不好會變成家常便飯而成「尋常」。

面對氣候的快速變遷,地球上的生物能夠來得及適應嗎?環境適應通常被認為是一種緩慢的過程,可是極端的環境擾動,可以提供好機會,來觀察天擇在野外族群的效應 [1]。

生態學家已經研究了這些異常氣候對生物族群的影響、物種分佈的變化、群落組成的變動,以及即將到來的滅絕等等。這些極端氣候有可能會造成物種的演化,可是很少被研究,因為這些事件比較罕見並且是難以預測的 [2]。

達爾文雀在大乾旱後,雀喙有了顯著改變

普林斯頓大學的演化生物學家 Peter R. Grant 和 B. Rosemary Grant 夫婦在加拉巴哥群島做了四十幾年研究,觀察到的達爾文雀就在大乾旱後,雀喙的大小和形狀有了顯著改變,成為教科書中的常客。普利茲獎作品《雀喙之謎》(The Beak of the Finch: A Story of Evolution in Our Time)就是描述他們的精彩故事。

然而只有鳥兒有案可查嗎?幸運的是,在 2013 年至 2014 年冬天,美國東南部遭受到不尋常的寒流,美國伊利諾大學香檳校區的演化遺傳學家 Shane C. Campbell-Staton 等人剛好在那裡研究綠變色蜥(Anolis carolinensis)。於是,他們趁機研究了蜥蜴對天寒地凍氣溫的反應。 Shane Campbell-Staton 在哈佛大學的 Jonathan Losos 和 Scott Edwards 實驗室唸博士班時就開始研究綠變色蜥的演化 [3]。

綠變色蜥,鱗片細小且呈顆粒狀,體背通常為綠色,但亦可依溫度、所處環境或情緒變深或變淺,甚至變成深褐色。雄性具有一個橘紅色的喉囊,示威時會展開,全長最大約 20 公分。牠們分佈在美國東南部從維吉尼亞州至德州。牠們是日行性樹棲蜥蜴,雄蜥領域性很強,以小型無脊椎動物為食。綠變色蜥是首個有全基因體序列的爬行動物,因此在進行遺傳學研究時有特別的優勢 [4]。

寒流對率變色蜥的影響

綠變色蜥的祖先幾百萬年前從古巴來到北美大陸,有些北方族群分佈至較冷的田納西州和俄克拉荷馬州。原本在美國墨西哥灣沿岸和東南部的亞熱帶棲息地,過去寒冷從不曾是個問題,但因為極端氣候才會有突如其來的低溫寒流。

他們發現,演化在一代的蜥蜴中就發生了!極端氣候事件是有可能產生形態和遺傳上的快速變化的。歷經寒冷之後,他們發現南部原本較不耐寒的蜥蜴展現出更好的耐寒性,他們並且利用轉錄體學(transcriptomics)和基因體學的方法,發現南方的倖存者的基因表現在歷經寒流後,表現模式更像北方較耐寒的族群。他們也發現有幾個基因體區域的變化,對於在寒冷中調節功能是重要的。這個發現發表在《科學》(Science)[5]。

來自得德州最南端的蜥蜴,在 2013 年至 2014 年冬天經歷了最多天的臨界最低氣溫,結果在下一個春天有較高的耐寒性。

是天擇之後的適者生存,不是對低溫的可塑性

這種轉變有可能是由於對低溫的可塑性反應,但他們排除了該可能性,因為在接下來的夏天,牠們還是比較耐寒。

因此該耐寒性就更可能來自遺傳變化,也就是天擇的結果,存活下來的個體是整個族群中較耐寒的,淘汰掉較不耐寒的個體,改變了整個族群可耐受的低溫平均值。

為了研究遺傳上的可能性,他們對寒流前後收集的 48 隻蜥蜴的肝轉錄體進行了定序。原理基本上是萃取出肝臟的 RNA 用作定序,那是 DNA 轉錄出的基因藍圖副本,主要用作轉譯成有功能的蛋白質。

轉錄體學的方法,是去定性和定量細胞表現出的 RNA。這就像商業間諜跑到工廠裡去收集工程師拷貝出來的藍圖副本有哪些,每種藍圖有幾份,從而估計產品的種類和數量來推測一家企業的投資方向。

他們比較了寒流前後的基因表現後,有了兩個發現:首先他們發現,有 14 個基因體區域有顯著變化,尤其是南部和受影響最嚴重的地區的蜥蜴。另外,有三組共同表現的基因有了變化。南部地區的寒流倖存者的表現更像是北方的族群,而北方的蜥蜴本身則沒有變化,大概是因為該處冬天沒有特別異常。

那些表現差異的基因,有一些是參與維持突觸功能和神經傳遞,以及與維持肌張力有關的神經傳遞物質。這些基因的功能與增加的耐寒性可能息息相關。

為什麼暖化會讓蜥蜴更耐難?

乍看之下,增加耐寒性和全球暖化無關。然而,地球氣候變化是極為複雜的。一個地區的地球物理擾動可能會在其他地區產生對比效應。例如,東部太平洋的聖嬰現象變暖給秘魯和厄瓜多爾帶來暴雨,但是對巴拿馬造成了乾旱。因此,全球暖化不僅更熱而已,也會讓一些地區的冬天變得更寒冷。

瞭解極端氣候事件如何影響適應性潛力將變得越來越重要,因為氣候變得更加波動。由於人為造成氣候變化,極端天氣事件的頻率和幅度很可能會大幅增加。 雖然研究是利用蜥蜴進行,可是氣候變遷的後果,是全球所有物種都要概括承受的,因此清楚這些事件的生物效應,對全球物種永續生存具有重要意義。

只是,我們對這個領域的研究,到底夠不夠到足以讓我們了解全球環境變遷所造成的影響?而這些研究成果,又能促成多少政策與行動?

參考文獻:

1) P. R. Grant. Evolution, climate change, and extreme events. Science 357, 451 (2017).

2) P. R. Grant et al. Evolution caused by extreme events. Philos. Trans. R. Soc. B 372, 20160146 (2017).

3) M. N. Bolotnikova. Extreme-weather Evolution. Harvard Magazine. August 8, 2017.

4) J. Alföldi, et al. The genome of the green anole lizard and a comparative analysis with birds and mammals. Nature 477, 587–591 (2011).

5) S. C. Campbell-Staton et al. Winter storms drive rapid phenotypic, regulatory, and genomic shifts in the green anole lizard. Science 357, 495 (2017).

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