「逆天」的鱂魚：水體污染的遺傳適應

今天聊一條魚，底鱂（jiāng, Fundulus heteroclitus，圖1），它們廣泛分布於北美洲的大西洋沿岸。它們也是生物學實驗室的寵兒，至於為什麼生物學家們要把它們選作模式生物，我們可以從它的另外一個俗名中一窺端倪，那就是：「水中木乃伊」。底鱂以適應性強著稱，它們可以生活在鹽度劇烈變化的水中，因此它們可以大洋沿岸的入海口自如生活，在淡水和鹹水之間自由穿梭。底鱂對水中的低氧環境也很能忍，最低可適應到1mg/L (一般水中溶解氧濃度~6mg/L，大多魚類在3mg/L的情況下已經無法生存)。有這麼強的適應性，底鱂堪稱「水中小強」。看到這種逆天的小魚，你不禁要問：你咋不上天呢？答案是肯定的：1973年，底鱂作為第一種被送入太空實驗室的魚類，上天之後，鱂魚成功適應了微重力，重新掌握了游泳姿勢，還孵化了小魚。

圖 1. 底鱂（圖片來源）。

2016年12月9日，加州大學戴維斯分校等10餘家研究單位的研究者在《科學》雜誌發表了一個很有趣的研究（文獻 [1]）。他們從美國大西洋沿岸的八個地點（圖 2），分別撈了8群鱂魚，配成了四對，每一對用相同的顏色表示取材地點。其中，每一對中，圓圈表示的S1表示對水體污染敏感（Sensitive）的魚群，而圓點表示的是對污染耐受（Tolerant）的魚群。S魚群取材的地點一般都是人類活動較少的海岸，而T魚群的取材地點都是河口。我們知道美國的東部沿海曾經工業發達，可以想像的是大量的污染物隨著河流進入大海，而河口就首當其衝，成為污染物的富集地。

不同河口的水，像一碗碗濃湯，其「調料」固然不同，但有一樣，卻是它們共同的佐料：多氯聯苯（PCB，polychlorinated biphenyl）。PCB堪稱工業時代的「萬金油」，有著極其廣泛的用途，但它也是有毒污染物，最為致命的一個特點是：極難分解。它一旦進入環境，就意味著，它就一直在那兒，在水裡、土裡，被魚吃下去在魚體內；鳥兒吃魚，於是在鳥兒體內；人類吃魚，就在我們體內，損傷著我們的生殖、免疫和神經系統。如果鳥兒死去，它們又重回自然，進入下一個循環。

那份研究中河口的取材地，水中PCB的含量全都大大超標，對多數魚類已經達到了致命的水平。但是這些污染水體中的底鱂依然活得自由自在，不愧「水中木乃伊」的名號。在實驗室中，研究人員也把這些魚養起來，然後往水裡加入毒物PCB，不斷提高濃度，看看他們的耐受性。在S地點取材的魚類大多熬不過100納克/升的PCB含量，但是在T地點，水中PCB含量升至20萬納克/升（致命含量的2000倍！），他們依然活得很健康！果然是在「八卦爐」裡面煉過的。。。。

研究者們感興趣的是：這些污染水域底鱂的PCB耐受的遺傳基礎是什麼？因為這些魚兒像我們活在空氣中一樣活在水裡，並且把這樣的水吸進來，吐出去。。。它們不會戴口罩，嘴上套個過濾器，不會作弊，對於水裡面的污染物，它們是要硬剛的，所以，它們必然是自身發生了改變，已然適應了這樣的環境。

問題即已提出，回答的方式也堪稱「粗暴」：對於8群魚，全基因組和轉錄組測序來一套。然後，分成4對，進行比較。其中一個有趣的結果是，這對魚兒都在芳烴受體（AHR，aryl hydrocarbon receptor ）基因上檢測到了很強的信號。這個結果很有道理，因為PCB本身就是一種芳烴，生物體內就是依靠AHR去感受PCB，並且傳達信號，帶來一系列的生理反應。現在發現T魚群中在這個基因位置紛紛突變了，這下好了，他們就變得對PCB不敏感，所以才會毫無壓力生活在超出PCB含量超出致命水平2000倍的水中。這也很有意思，一個很好的趨同進化的例子，不同的區域的魚群都是去調整芳烴信號通路來應對這些污染物的。

但是！但是！後面的結果給了我很大的震撼。要講清楚這種震撼，首先要普及一下「原創」的概念。一種發明或者創新，邁出關鍵一步，其真正的突破者往往只有一人，其他人也能獲得這種創新，往往是靠借（chao）鑒（xi）的。比如，愛因斯坦提出相對論的原創，這種原創，就只有一次，其他人之所以會，是因為學習了愛因斯坦的理論。這個也是有道理的，因為原創很難，而借鑒學習則非常容易。這一概念在絕大多時候都是成立的，我們有電腦，有手機，並不是我們從二極體開始獨立發明了電腦或手機；華為和小米都生產手機，也不是華為和小米都獨立發明了手機。原創很難，但是在很多情況下，也是沒有必要的，因為借鑒是更快更有效的一種方式。這也是為什麼我們看到很多普遍的現象背後，它真正的起源卻只有一次。

說回這些魚，研究發現，雖然4群魚都利用了同一套分子機制適應PCB污染，但是！他們在AHR基因上的突變方式完全不一樣！這意味著，他們在基因組層面分別獨立「造了輪子」！我們可以想像另外一種情況：就是其中一群魚通過突變獲得了適應，但是另外一群魚根本無需原創，它們只要去適應的魚群中，和它們雜交一下，就可以引入適應的基因，而這種情況是自然界更為普遍的。但是這群鱂魚，根本不是這樣做的！他們獨立地發生了突變，獲得了遺傳適應。

這個研究對我最大的震撼不在於鱂魚在短短的時間內從基因組層面進化出了新的機制來適應水中超高濃度的毒性物質。最震撼的是，同在美國，同一個海岸，最近的魚群取材點不過200千米。它們居然獨立進化出了適應性的機制，從基因組層面獨立造輪子！這也反映了，它們適應水中的有毒物質是多麼的輕鬆，暗示了它們應對環境變化的巨大遺傳適應的潛力。

反觀我們人類自己，我們的基因組相對於魚類，已經非常地固化了，根本經不起重大改變。小小的改變，輕則遺傳疾病，重則胎死腹中。人類複雜的調控主要依靠RNA層面的複雜性來體現。在應對環境變化面前，人類往往只能仰仗大腦和跑得比誰都快的兩條腿。至於人類還有多大的潛力，去發生「遺傳」層面的適應，答案是非常悲觀的。

早上走出門，我呼吸了一口新鮮的霧霾，心下想：照這樣下去，我估計是熬不過「水中木乃伊」了。保護環境，更是為了保護我們自己。

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參考文獻

[1] Reid, N. M., D. A. Proestou, B. W. Clark, W. C. Warren, J. K. Colbourne, J. R. Shaw, S. I. Karchner, M. E. Hahn, D. Nacci, M. F. Oleksiak, D. L. Crawford and A. Whitehead. 「The Genomic Landscape of Rapid Repeated Evolutionary Adaptation to Toxic Pollution in Wild Fish.」 Science 354, no. 6317 (2016): 1305-1308.

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