遺傳多樣性最高的物種是什麼?

北京時間6月17日消息,據國外媒體報道,你知道地球上遺傳多樣性最高的是什麼物種嗎?有20種顏色的蝴蝶?還是每20分鐘就分裂一次、不停發生基因突變的細菌?事實證明,目前的記錄保持者可能是一種生長在朽木上的菌類。

與之相對的是猞猁,它們的遺傳多樣性非常低。這對猞猁來說可不是個好消息,因為較高的遺傳多樣性意味着生物可以更好地適應環境,因此對生物是有利的。

遺傳多樣性究竟是什麼?物種怎樣才能提高自己的遺傳多樣性呢?

從本質上來說,遺傳多樣性衡量的是同一種族內出現不同等位基因的概率。DNA由鹼基構成,用字母A、T、C、G代表。鹼基加上一個支持結構,就構成了核苷酸。遺傳多樣性可以表達為核苷酸多樣性,或者同屬某物種的兩個生物的基因組中、擁有不同DNA鹼基的位置佔比。

2015年發表在期刊《分子生物學與進化》上的一項研究指出,裂褶菌的核苷酸多樣性高達20%,是目前已知遺傳多樣性最高的真核生物(即細胞中擁有細胞核的生物)。換句話說,在兩株裂褶菌的基因組中,平均每100個點位上,就有20個點位的DNA鹼基彼此不同。這比此前的紀錄保持者——布倫納隱桿線蟲還要高,該線蟲的核苷酸多樣性為14.1%。二者的核苷酸多樣性均高於5%,因此均被視為擁有“超高遺傳多樣性”的物種。大多數動植物的核苷酸多樣性都低於此值。例如,人類的核苷酸多樣性就僅有0.1%。

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裂褶菌是目前已知遺傳多樣性最高的物種。

細菌和病毒的遺傳多樣性一般都很高,但很難把病毒與細菌和真核生物放在一起比較,因為它們屬於不同的物種類別。為了簡化問題,我們在這裡將僅討論真核生物,即地球上的所有動物、植物和真菌。

可能影響物種遺傳多樣性的因素包括突變率、種群大小、以及種群穩定性。遺傳多樣性是隨着突變增加的,因此突變率越高、某個物種發生的突變越多,其遺傳多樣性就越高。類似地,一個種群規模越大,基因組就越多,因此累積的突變也越多,最終遺傳多樣性就越高。反過來,某個種群越小,遺傳多樣性就應當越低。研究遺傳多樣性的科學家主要關注種群內正在繁殖、能夠傳遞遺傳物質的個體數量,由於這類個體在種群內僅佔一部分,真正有效的種群規模可能比表面上還要小得多。

假如某個種群正在經歷“瓶頸期”,或是在某起事故中損失了大半成員,那麼這個種群會在一段時間內一直保持小規模,但最終總能恢復到之前的大小。但新的種群中的遺傳多樣性會變得相對較低。現代歐洲野牛就有過這樣的經歷。它們在一戰期間近乎滅絕,野生環境中一度只剩下12頭。

高多樣性

除了南極洲之外,裂褶菌在各個大洲上的遺傳多樣性都高得驚人。這是因為它們的有效物種規模非常大,可以達到百千萬級。它們的突變率也高得離奇,約為果蠅的10倍。這兩點因素也許都對裂褶菌的超高遺傳多樣性做出了貢獻。

布倫納隱桿線蟲的超高遺傳多樣性或許也可以用較大的有效物種規模(同樣為百千萬級)來解釋。“該物種生活在熱帶地區,以腐爛果蔬中的細菌為食,全年的食物來源都極為豐富。”它們的個頭也很小,只有1毫米長,意味着一處狹小的空間內可以容下多條線蟲。由於這些因素,它們的物種規模可以達到超大水平,這也對它們的遺傳多樣性起到了助長作用。

遺傳多樣性很重要,因為它可以幫助生物適應環境。如果某個物種遺傳多樣性很低,就沒有進化操作的“原材料”了。假如某種疾病只會殺死擁有某個特定基因的生物,而某物種又只有這一種等位基因,整個物種便會遭到滅頂之災。相反,假如該物種還擁有該基因的變種版本,也許某個變種便對這種疾病具有抵抗力,從而使該物種免於滅絕。

低多樣性

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伊比利亞猞猁的遺傳多樣性很低。

猞猁如今就面臨著這樣的風險。伊比利亞猞猁的核苷酸多樣性僅為0.026%,是已知所有物種中最低的。伊比利亞猞猁的遺傳多樣性之所以如此低,是因為它們在最近幾個世紀里經歷了一系列種群發展的瓶頸期,因此有效種群規模一直維持在300以下。當種群規模縮小時,基因突變(也包括有害突變)對整個種群的影響就會變大。例如,假如同樣是發生了10個有害突變,包含1000個個體的種群受到的影響就會比只有100個個體的種群要小。因此,當近期經歷了瓶頸期、導致種群遺傳多樣性較低時,有害的基因突變也會隨之累積,使種群整體遭到削弱。

伊比利亞猞猁的超低遺傳多樣性或許是造成該物種繁殖率低、患病率高的原因,並且這些病很可能是遺傳病。這種瀕危物種會面臨捕獵、棲息地減少(與氣候變化和人類發展均相關)、獵物減少等一系列威脅,除了伊比利亞猞猁之外,歐亞猞猁的遺傳多樣性也很低。

除了這些威脅之外,猞猁種群規模小還有另外一個原因:它們處在食物鏈頂端。為了獲取足夠的食物,捕獵者的種群規模必須比獵物要小。食肉動物數量本來就比較少,再加上猞猁屬於獨居動物,導致它們的遺傳多樣性非常低,獵豹的情況也很類似,遺傳多樣性僅有0.02%。

儘管人類的遺傳多樣性(0.1%)比猞猁高得多,但想想全球有幾十億人,這個比例其實相當低。造成這一現象的原因是,這幾十億人都是在相對較短的時間內出現的。而種群內的突變要想累積到一定水平、足以造成遺傳多樣性,並非一朝一夕之功。

據估算,近代人類的有效種群規模應為10萬級。但對人類種群規模的長期預判則要低上一級,可能為萬級。我們的有效種群規模雖不比裂褶菌,但也比伊比利亞猞猁高得多。如果我們目前的人口數量再保持幾千年或幾萬年,我們的遺傳多樣性也會相應增長。

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