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特殊基因突变 美国科学家揭开蝙蝠进化之谜


http://www.sina.com.cn 2004年11月26日 11:33 北京科技报

  文/朱翔

科技时代_特殊基因突变 美国科学家揭开蝙蝠进化之谜
基因突变帮助蝙蝠掌握飞行技能
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科技时代_特殊基因突变 美国科学家揭开蝙蝠进化之谜
这是一只成年大足鼠耳蝠
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特殊基因突变美国科学家揭开蝙蝠进化之谜
武汉发现通体呈金色的蝙蝠 供图/Photocome

  蝙蝠是一种古老的动物,也是唯一会飞的哺乳动物,他们的历史可以追溯到属于恐龙的莽荒时代。与蝙蝠同时代的动物绝大多数都被自然所淘汰了,只能见于化石之中,而蝙蝠经历各种灾难之后顽强地活了下来,经过千万年的发展,蝙蝠家族成为仅次于啮齿类动物的第二大哺乳动物。科学家们惊叹于蝙蝠的生存技巧,但他们始终不明白蝙蝠是如何进化的,
不仅因为最早化石中的蝙蝠和现在的非常相像,而且也从未发现介于蝙蝠和无飞翔能力的始祖动物间的化石标本。近日,据俄罗斯医学新闻网报道,美国科学家揭开了这一不解之谜。

  依卡洛蝙蝠是最古老的已经绝灭的蝙蝠,它的骨架是偶然从美国怀俄明州—个古代湖泊的岩石中发现的,距今约有3000多万年。化石中的依卡洛蝙蝠已经表现出许多现代蝙蝠的特征,都有延展于长指间的膜形成的翅膀和具有回声定位功能的耳朵,骨骼部分已与现在的蝙蝠基本相似。蝙蝠究竟是怎样出现的呢?这问题一直困扰着生物学家们。

  蝙蝠的飞行能力得益于其体内一处特殊基因的突变。

  美国科罗拉多大学的卡伦.希尔斯通过实验证明,蝙蝠的飞行能力得益于其体内一处特殊基因的突变,正是这个单一基因的变异让蝙蝠的前爪发育成翅膀使其飞上天空,这可解释蝙蝠为何突然出现在5000万年前的化石标本里。《新科学》杂志指出,现代蝙蝠的祖先在距今大约5000万年前长出了翅膀,掌握了飞行技能,但这一基因突变过程非常短,以至于在蝙蝠的各个进化阶段未能留下多少化石标本。

  卡伦.希尔斯表示,由于基因的变化,蝙蝠的祖先们长出了适用于长时间飞行的两翼。为了解蝙蝠前爪的进化来源,希尔斯专门研究了它们在胚胎阶段的发育过程,并将其与老鼠的胚胎发育情况进行了比较。希尔斯发现,无论是啮齿类动物还是蝙蝠的前爪,都是由胚胎中的软骨细胞发育而来———这些细胞逐渐分化成熟并形成骨区。但不同的是,蝙蝠的骨区上有个很明显的增生带,比老鼠的大很多,正是这个增生带刺激了骨细胞的增长,使蝙蝠长出长长的前爪。

  希尔斯认为,蝙蝠的生长带主要是受到了BMP2基因的影响,该基因中携带了大量有关骨骼生长的信息,是哺乳动物四肢生长的重要基因家族之一。希尔斯发现,BMP2基因在蝙蝠骨骼的发育过程中非常活跃,而在处于同一阶段的老鼠胚胎中,它的功能却已完全弱化。为了证明了BMP2基因的功效,希尔斯将这种基因加入到胚胎期老鼠的细胞中,结果,老鼠同样也发育出与蝙蝠一样的细长前爪。该实验可证实,BMP2基因确实在蝙蝠前爪的形成过程中发挥着决定性的作用。

  BMP2基因的突然变化,造成蝙蝠的进化过程非常短暂。

  希尔斯指出,正是由于BMP2基因活性的增强才导致了蝙蝠的突然出现。同时,可能也正是由于该基因的突然变化,造成蝙蝠的进化过程非常短暂,以至于人们很难找到其生活在5000万年前的原始祖先的化石。美国自然历史博物馆的南希.西蒙思表示,对于蝙蝠的突然出现,生物学界从未有过合理的解释,该研究是个突破性的发现。

  美国马萨诸塞州波士顿大学的蒂格.金斯顿和英国伦敦大学的斯蒂芬.罗西特也对蝙蝠的进化过程展开了研究。他们发现蝙蝠发出的声音也是推动其进化的一个重要因素。蝙蝠的声音可以帮助它们区分不同种类甚至体态稍有差别的蝙蝠,使属于同一物种不同变种的动物,即使生活在相同地区,也相互不杂交,各自独立进化。

  世界上总共有1000多种蝙蝠,它们中的大多数都以昆虫为食,也有一些以水果或是吸食哺乳动物和鸟类的血液为生。在中美洲和南美洲还有一种大足蝙蝠,它们能够像老鹰抓小鸡那样从河中捕食鱼类。蝙蝠体型的变异很大,体重从2公克到超过1000公克,翼展从3厘米到近2米都有。蝙蝠的尾巴有长有短,有的全为股间膜包住,有些则延伸到膜外,可以在蝙蝠捕捉昆虫时,当做捕虫的网袋用。此外,蝙蝠的毛色亦有许多变化,例如果蝠的颈肩部往往有一圈乳白到金黄色的毛,有别于身体其余部分的深褐毛色,有些蝙蝠则有斑点或条纹,可以作为辨认种类的依据。

  不同体型的大耳蝙蝠所捕捉的昆虫体型也是不相同的。

  为了解蝙蝠家族的形态为什么如此各异,金斯顿和罗西特两位科学家选取了一种东南亚大耳蝙蝠的三个变种进行研究。这三种蝙蝠在体型上存在很大差异,其中个头最大的蝙蝠比个头最小的蝙蝠大出近一倍。他们发现大耳蝙蝠各自具有一个特殊的频率,且体型越大发出的超声波频率越低。

  体型最大的蝙蝠发出的叫声频率最低,为27.2千赫,而体型中等以及最小的大耳蝙蝠则主要选择高亢的腔调。这意味着大个大耳蝙蝠将无法听到其他两种蝙蝠的叫声:大耳蝙蝠的耳朵可以清楚地接收到自身叫声所具有的频率,同时还可以过滤掉其他蝙蝠发出的高音叫声。

  此外,由于叫声的频率越高,越容易测定那些小型猎物的方位,因此不同体型的大耳蝙蝠所捕捉的昆虫体型也是不相同的。

  由于不同种类的蝙蝠发出的超声波频率不同,所以它们不会发生杂交。

  通过对大耳蝙蝠的进食以及交配习性进行研究,研究人员发现,就像克服其他自然障阻一样,通过改变叫声的频率能够有效地形成一些新的蝙蝠种类。超声波频率不同的蝙蝠可能无法“沟通感情”,当然也就不会交配并生出后代,彼此的基因没有机会发生交换与融合。

  这样,一个变种的蝙蝠,只会与完全同一变种的蝙蝠交配。如果两个不同变种的蝙蝠属于同一物种,互相杂交原本可以产生有繁殖力的后代,但由于它们发出的超声波频率不同,所以在自然环境中不会发生杂交。这样一代一代地各自繁殖下去,由于基因变异的累积,不同变种间本来微小的遗传差异得到巩固和加强,使得差异越来越大。

  最终,这种差异是如此之大,使两类蝙蝠再也无法杂交,或者即使能够发生杂交也不能产生有繁殖力的后代,在生物学上成为两个完全不同的物种。

  加拿大西安大略大学的布罗克.芬顿表示,“这项研究成果使学术界对于蝙蝠是如何进化出不同种类的,以及这些叫声的改变能够导致何种生态学后果,有了新的认识”。

  约克大学的约翰.拉特克利夫指出,过去500万年来,亚洲迅速出现了许多蝙蝠的新物种,上述因素可能是造成这种现象的原因之一。



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