針對水蚤的研究揭示了環境變化對遺傳變異的長期影響
亞利桑那州立大學的科學家研究了水蚤Daphnia pulex 的基因變異，發現即使在穩定的環境中，單一基因的自然選擇也會隨著時間的推移而顯著波動。這項研究表明，持續的基因變異有助於物種保持對未來環境變化的適應能力，這對傳統的自然選擇觀點提出了挑戰。
在一項新研究中，亞利桑那州立大學的科學家及其合作者研究了一種自然隔離的水蚤（Daphnia pulex）種群的遺傳變化。這種肉眼幾乎看不見的微小甲殼動物在淡水生態系統中發揮重要作用，並為自然選擇和進化提供了寶貴的見解。
他們的研究成果最近發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，這些研究成果是在十年研究的基礎上取得的。研究團隊利用先進的基因組技術，分析了近1000 隻水蚤的DNA樣本。
他們發現，自然選擇對單一基因的作用強度每年都有很大不同，透過為自然選擇發揮作用提供原料，保持了變異，並有可能提高適應未來不斷變化的環境條件的能力。
水蚤是一種浮游動物，由於其在水生生態系統中的關鍵作用和適應環境壓力的能力，幾個世紀以來一直吸引著生物學家。一項新的研究探索了近1000 個水蚤的DNA 樣本，揭示了自然選擇進化過程中的新奧妙。圖片來源：Jason Drees 繪製
在看似穩定的環境中，被稱為等位基因的基因變異在特定染色體區域的頻率會隨著時間的推移而顯著波動，即使多年來選擇的整體強度平均保持在接近零的水平。這表明，這種基因變異使族群能夠保持對環境變化的適應能力。
新研究的第一作者 Michael Lynch）說：「這項研究首次讓我們看到了基因頻率的時間變化，即使在看似恆定的環境中也會發生這種變化，這是一種分佈在整個基因組中的遺傳變異的持續變化。
林奇是美國亞利桑那大學生物設計演化機制中心主任和生命科學學院教授。參與這項研究的其他研究人員包括來自美國亞利桑那大學、華中師範大學和聖母大學的同事。
水蚤是浮游動物的一種，由於其在水生生態系統中的重要作用和適應環境壓力的能力，幾個世紀以來一直吸引著生物學家。水蚤除了具有多代遺傳研究的價值外，還被廣泛用於淡水毒性測試的模式生物，因為它們具有快速的無性繁殖週期，並對各種環境污染物敏感。
麥可-林奇（Michael Lynch）是亞利桑那州立大學生物設計演化機制中心（Biodesign Center for Mechanisms of Evolution）的負責人。資料來源：亞利桑那州立大學生物設計研究所
這種小生物是魚類的重要食物來源，有助於控制藻類的生長。它們快速適應環境變化的能力可能為其他物種（包括對人類食物供應很重要的物種）如何應對污染、氣候變遷和其他人類造成的壓力提供了線索。
研究表明，水蚤基因組上的大多數位點在研究期間都經歷了不斷變化的選擇壓力。平均而言，這些壓力趨於平衡，整體影響不大，這意味著沒有單一的選擇方向會隨著時間的推移而始終占主導地位。相反，特定性狀的遺傳優勢或劣勢在不同時期會改變。
這些發現對傳統的觀點提出了挑戰，即測量遺傳多樣性（一個種群中不同性狀的範圍）和遺傳差異（種群之間的差異）可以很容易地顯示自然選擇是如何持續發揮作用的。相反，自然選擇的運作似乎比以前想像的更加微妙和複雜。
這項研究開啟了一個新領域，精確定位了基因組內選擇壓力發生的時間和地點。除了已知的受自然選擇強烈影響的性狀外，關於等位基因頻率在自然族群中如何隨時間變化的資訊很少。
對一個水蚤種群的近1000 個基因樣本進行的多年全基因組分析表明，大多數基因位點都經歷了不同的選擇，平均效應接近於零，這表明在不同時期幾乎沒有一致的選擇壓力，選擇遍及許多基因組區域。
這些發現挑戰了人們對遺傳多樣性和分化作為隨機遺傳漂移和選擇強度指標的常見理解。
在不同基因位點上觀察到的選擇模式提供了一種維持遺傳多樣性的機制，而遺傳多樣性對於快速適應至關重要。研究也發現，染色體上相互靠近的基因往往以協調的方式演化。這種連結使得有益的基因變異組合能夠一起遺傳，從而有可能加速適應過程。
這種效應有助於解釋為什麼物種的適應速度有時比科學家通常預期的要快。另一方面，同樣的現像也可能導致有害等位基因被相連的有益等位基因掃到更高的頻率，從而在某些情況下降低了選擇的整體效率。
這項研究表明，演化比人們以前所認識到的更加動態和複雜。環境對基因的影響經常發生變化，這可能有助於物種維持適應未來條件所需的基因多樣性。這個新的認識可能會促使科學家重新思考如何研究野生動物的演化。
雖然這項研究的重點是水蚤，但研究結果可能對了解其他物種如何應對快速的環境變化（包括由污染和氣候變遷等人類活動引起的環境變化）有影響。在更穩定的環境中評估等位基因頻率的穩定性是重要的第一步。這類研究至關重要，因為僅靠實驗室實驗無法複製環境影響野生族群的複雜性。
此外，了解水蚤是如何進化的可能有助於深入了解整個生態系統的恢復能力。這些知識可以幫助研究人員預測並減輕環境變化對生物多樣性和食物網的影響。
在全球努力應對日益加劇的環境危機之際，類似這樣的研究為了解大自然的復原力和適應力提供了至關重要的啟示。科學家希望透過繼續研究這些微小的生物，更了解演化的基本機制，並將這些經驗應用到更廣泛的生態和保育工作中。
編譯自/ ScitechDaily