蜗牛线粒体的进化暗示着从海洋到陆地的适应过程以及更多

本周发表于BMC Evolutionary Biology的新研究，探索了从海洋到陆地的进化转变背后所隐藏的遗传变化，并找到了多个物种中针对同一基因的自然选择从而各自完成这一进化历程的证据。第一作者Pedro Romero为我们进行了详细的介绍。

三叉角蜗牛（Carychium tridentatum）是一种非常特殊的陆生微蜗牛，其是潮间带-海生蜗牛家族中为数不多的陆生种系之一。Alexander Weiger，已获授权

“自然让一切都无法长久，但又总是循环往复，如此它所创造的一切都将得以保留。”——奥斯卡·王尔德

生命很可能最先起源并分化于水生环境之中。随后，从细菌到绿色植物，从软体动物到脊椎动物等不同生物逐渐冒险踏上陆地。

不难想象，从海洋到陆地的转变是多么困难重重；事实上，第一批有记录的陆生生物直至奥陶纪才出现（大约4.85-4亿年前），而这比地球上生命的起源晚了数十亿年。在我开始筹划我的博士论文时，我意识到大多数生活在陆地上的物种都是成功侵入陆地领域的少数几个分支的后代，这令我非常着迷。

能量是新陈代谢的基础，而大多数由细胞生成的能量来自于线粒体。十三个线粒体基因被转译成代谢路径中的蛋白质，这些蛋白质最终产生ATP，细胞中的能量通货。我们假定这些线粒体基因也参与了生物体对陆地新领域的适应过程，并且一些突变可能提高了细胞的整体新陈代谢性能。

红色蛞蝓（Arion rufus），本研究中使用的物种之一。Hans Hillewaert, CC4.0，转自维基百科

研究中，我们使用了软体动物，因为陆地入侵多次发生在本群的不同科之中。它们为测试彼此独立的种系中是否发生相同的遗传适应提供了绝佳的机会。另外，此前大多数关于陆地适应的基因组基础的研究都集中在脊椎动物身上，因此，在非脊椎动物身上对我们的假设予以检验是个不错的主意，因为它们代表了现有动物95%的多样性。

我们决定对直神经亚纲动物的线粒体基因组进行比较，该类动物是软体动物纲腹足纲中最多样化的群体。该群体中包括生活在海水、潮间带、淡水和陆地区域的蜗牛和蛞蝓。

我们在彼此独立的登陆种系中发现了自然选择下的两种相同的线粒体基因（cob和nad5）。这强烈地暗示了，两种相似的自然选择驱动力在线粒体基因组中留下了它们的印记；由这两种基因编码的酶深度参与了能量制造路径，这印证了我们的假设，对陆地环境的适应要求这些动物针对能量需求的增加做出改变。

线粒体蛋白质对于生物体而言生死攸关，因此在其结构和功能上在生命树不同生物体之间得以高度保留。这意味着将蜗牛的氨基酸序列与如蝙蝠、海豚、人类和老鼠的氨基酸序列进行对比是相对容易的，由此我们注意到，脊椎动物体内由这些基因编码的蛋白质中相似氨基酸位置上同样存在自然选择标记。

长齿先驱蜗牛（Carychium tridentatum），本研究使用的另外一个物种，的壳。H.Zell, CC3.0转自维基百科

因此，我们意识到，在向新栖息地转变的过程中，为了适应变化的能量需求，蜗牛体内出现了与脊椎动物相似的基因模式。在从陆地进入海洋的鲸鱼，从陆地转移至空中的蝙蝠，以及从地表生活变为地下栖息的啮齿类动物中相同的蛋白质，有时甚至是相同的氨基酸位置明显都经历过自然选择。

似乎在剧烈变化的环境下，来自大相径庭群组的动物在分子机制方面表现出了相似的适应性，这可能是由于，这些改变对于应对其新栖息地所带来的能量需求增长，发挥着关键作用。

然而这仅是一个开始，通过利用线粒体基因组或借助于新的测序技术对其他群组生物体进行比对，完整基因组能够阐明分子层面的适应，这些适应令我们的海生祖先成功地征服了陆地。