世界太吵,來原聲聽播客

This Week in Evolution

同樣是溪流之間搬家,刺魚的適應差距比搬去湖泊還大

瑞士伯爾尼團隊讓刺魚在四條看似相似的溪流和一個湖之間互相搬家做野外實驗,發現同類生境之間的本地獨有適應,貢獻了67%的適應度優勢,比生境本身差異的貢獻還大。

進化生物學生態學田野實驗刺魚平行進化寄生蟲

原視頻在 YouTube 上放不出來,用音頻聽:

拆穿了「相似生境=趨同適應=可預測」這個在生態學裡被默認太久的假設,也提醒做基因定位的人:看起來一樣的進化路徑,底下可能完全不是一回事。

核心論點 · 點時間戳可跳到原聲

8:23

論文想拆的,是進化到底是不是噪音

這期討論的論文剛發表在PNAS上,作者來自瑞士伯爾尼大學生態與進化研究所,通訊作者Katie Peichel此前在西雅圖Fred Hutch癌症中心做刺魚行為遺傳學,後來把實驗室搬到瑞士,轉向更偏田野生態的方向。論文標題是「拆解一個經典重複進化系統中獨特的、位點特異性的和共享的棲息地適應」,核心問題是:當同一個物種在多個相似環境裡獨立進化出相似性狀時,這到底是適應性選擇的結果,還是只是隨機漂變湊巧長得像。

— Nels
24:58

傳統的雙向移植實驗漏掉了第三種比較

生態學裡研究這類問題的標準做法是互惠移植實驗:把湖裡的魚挪到溪流圍欄裡,再把溪流的魚挪到湖裡圍欄裡,看誰適應得更好。但作者指出,這只能告訴你湖和溪流差異大,卻沒法回答「看起來相似的幾條溪流之間,是不是其實也存在重要的、未被注意到的差異」。於是他們額外設計了第三種比較:把一條溪流的魚挪到另一條溪流的圍欄裡,與當地原生魚競爭資源,從而能把「溪流間差異」和「溪流與湖泊間差異」分開來算。

— Nels
28:12

715條魚、55個圍欄、七週野外實驗

具體規模是:一個湖泊種群(Lake Constance)加四條相鄰溪流種群,用圍欄把魚圈在各自的移植地點裡,一共用了715條魚、55個圍欄,放養七週後回收,統計存活率和「身體狀況」兩項適應度指標。存活率是最直接但也最嚴苛的適應度衡量——活下來才算數;身體狀況則是補充指標,衡量即便活下來,魚有沒有因為被移植而掉膘、間接影響繁殖能力。

— Nels
31:14

湖裡比溪流裡好活得多

總體結果是:無論原生種群還是被移植進來的種群,在湖泊裡的存活率都明顯高於在溪流裡,溪流是更艱苦的棲息地。這本身不算意外,符合湖泊資源更穩定、溪流水流和捕食壓力更不可預測的一般認知。

— Nels
33:29

溪流之間的適應代價反而更突出

真正讓人意外的是圖5裡的數字:溪流對溪流的適應度差異,相對於溪流對湖泊的適應度差異,大約是兩倍。也就是說,把一條溪流的魚挪到另一條「看起來差不多」的溪流,付出的適應度代價,比把它挪到完全不同的湖泊環境還要大。作者進一步拆分發現,本地種群相對外來湖泊種群的總適應度優勢中,33%來自對溪流間共同選擇壓力的適應,67%來自對每條溪流獨有的局部條件的適應——後者才是大頭。

— Nels/Vincent
37:06

看著一樣的趨同進化,底下可能走了不同的路

這個結果的含義是:當生物學家從10000英尺高空看,幾條溪流種群進化出相似的形態性狀,很容易被歸為「平行進化」「殊途同歸」。但這項實驗說明,表面相似的性狀背後,驅動適應的具體環境壓力和路徑可能各不相同。對習慣用還原論思路——找到一個性狀對應哪個基因——的生物醫學科學家來說,這是個警示:你可能把本該分別研究的多條適應路徑,錯當成了同一套遺傳機制在處理。

— Nels
48:44

人類世代太短,復刻不了刺魚式實驗

刺魚一到兩年一代,這四條溪流種群從上一次冰川期退卻、約12000年前才各自獨立分化,換算成人類世代也就6000代左右。人類一代20到30年,要看到類似的位點特異性適應,需要長得多的時間尺度,外加地理隔離——不同大陸、不同山脈。人類歷史上確實有安第斯高原適應、乳糖耐受這類地區性適應,但都要花上千年並伴隨種群隔離才能形成,而現代人流動性太強,這類局部適應很難再快速發生。

— Vincent/Nels
58:02

CCR5突變比HIV還古老,選擇壓力來源成謎

人類身上一個類比案例是Delta-CCR5突變,攜帶者對HIV-1有抵抗力,但這個突變大約有2000年歷史,比HIV出現(大約100年前,1920年代左右)古老得多,攜帶者約佔人口16%、主要在歐洲,真正的選擇壓力來源至今不清楚。這個突變後來在「柏林病人」身上意外發揮了作用:一名白血病患者接受了攜帶CCR5突變供體的骨髓移植,不但白血病緩解,HIV也因為病毒找不到可感染的細胞而被功能性治癒。

— Vincent/Nels

原話 · 已逐字校驗

what was really interesting here or surprising, I should say, is that the fitness difference between stream to stream was like 2x relative to – from stream to stream relative to stream to lake

真正有意思、或者說讓人意外的地方在於,溪流對溪流的適應度差異,相對於溪流對湖泊的適應度差異,大約是兩倍。

Nels32:24

the fitness consequence of moving from stream to stream is actually much more sort of noted or surprisingly came out of their data

從一條溪流搬到另一條溪流所付出的適應度代價,實際上在數據裡顯得更突出、也更出人意料。

Nels33:29

of the total fitness advantage of local stream fish versus foreign lake fish, 33% reflected adaptation to selection pressures among streams

本地溪流魚相對外來湖泊魚的總適應度優勢中,33%反映的是對溪流間共同選擇壓力的適應。

Vincent34:39

these almost like kind of creepy translucent, transparent or kind of opaque actually white worms that are various species of worms

那是一種半透明、甚至有點詭異的白色寄生蟲,有好幾個不同的物種。

Nels39:13

the predictability of evolution depends on the ecological resolution at which environments are defined and measured. At coarse scales, evolutionary change may often appear repeatable, whereas at finer scales, natural selection can generate a mosaic of distinct adaptive responses.

進化是否可預測,取決於定義和測量環境所用的生態分辨率。在粗尺度下,進化變化常常顯得可重複;而在細尺度下,自然選擇可能產生一幅由各不相同的適應性反應拼成的馬賽克。

Nels45:21

these four streams in this paper, they diverged only since the last glaciation, which is about 12,000 years ago or 6,000 human generations

論文裡這四條溪流,分化的時間只從上一次冰川期退卻算起,大約12000年前,換算成人類世代大概是6000代。

Vincent48:44

this thing is about 2,000 years old, so it predates HIV. And we don't know what the selection one is. It's only in certain, it's about 16% of the human population, mostly Europe.

這個突變大約有2000年歷史,比HIV出現得還早,我們並不知道當初是什麼選擇壓力造成的。它只存在於一部分人群裡,大約佔人類人口的16%,主要集中在歐洲。

Vincent58:02

數字與實體

實驗規模715條魚、55個圍欄28:12
實驗時長七週28:12
溪流間適應度差異相對溪流-湖泊差異的倍數約2倍32:24
總適應度優勢中歸因於溪流間共同選擇壓力的比例33%34:39
總適應度優勢中歸因於溪流獨有局部條件的比例67%34:39
刺魚世代時間1-2年48:44
人類世代時間20-30年48:44
四條溪流分化年代約12000年前(約6000個人類世代)48:44
CCR5-Δ32突變年齡約2000年58:02
HIV出現至今的時間約100年(1920年代左右)59:03

術語

reciprocal transplant互惠移植實驗
把兩個種群的個體互換放到對方棲息地,比較雙向適應度變化
parallel evolution / repeated evolution平行進化(重複進化)
不同種群獨立進化出相似性狀,可能出於適應也可能出於偶然
behavioral fever行為性發熱
變溫動物感染後主動遊向更暖環境、以體溫變化對抗病原的行為
CCR5-Δ32CCR5-Δ32突變
使細胞表面受體缺失、讓HIV難以入侵免疫細胞的基因突變

收聽指南

誰該聽

對進化生態學田野實驗、刺魚模式系統或「趨同進化是否真的趨同」這類問題感興趣的研究者和科學愛好者。

可跳過

開場約8分鐘的個人寒暄和聊天記錄、以及結尾的音樂/新聞類picks環節可以跳過。