距今8000萬年前，澳洲大陸脫離了南極洲大陸向北漂移。由于海水的隔絕，這片平坦而古老的大陸誕生了許多不同尋常的物種，在南半球演繹著另一番自然生機。有熟悉的袋鼠、考拉、袋狼、袋熊、鴯鹋、針鼴……還有鴨嘴獸。這一樣貌和行為都稱得上古怪的神奇動物，直到18世紀末才被人們發(fā)現(xiàn)。

它常常棲居于河岸，也善潛水 | Tourism Australia blogger

鴨嘴獸（Ornithorhynchus anatinus）是最早分化形成的哺乳動物之一，在哺乳動物的演化過程中占據(jù)非常重要的位置。它和人類在大約1.8億年前有著共同的祖先，通過研究它的基因組，科學家們可以得知關于性狀特征起源的諸多奧秘。

2021年1月7日，深圳華大生命科學研究院生物多樣性團隊、哥本哈根大學、浙江大學、澳大利亞阿德萊德大學等單位聯(lián)合在英國著名雜志《Nature》刊登發(fā)布的重磅文章，就為我們講述了這其中的演化故事。

刊發(fā)在《Nature》的重磅成果

在一億年前的演化故事

這次，中外科學家們首次成功構建出了包括人在內的所有現(xiàn)生哺乳動物共同祖先的基因組圖譜?，F(xiàn)代人有46條染色體，而人和鴨嘴獸的共同祖先很可能有60條染色體，這些染色體經(jīng)過了很多次的變異才形成了今天的狀態(tài)。

推測哺乳動物的共同祖先 2n=60 | 參考文獻 [1]

此次的研究對象除了鴨嘴獸，還包括短吻針鼴（Tachyglossus aculeatus）。它們都是單孔目的卵生哺乳動物，是現(xiàn)存哺乳動物中古老而原始的類型，在演化路徑上孤獨求索。

短吻針鼴，又稱為澳洲針鼴 | Roman Sandoz, flickr

現(xiàn)存的單孔目動物一共僅有五種，由于它們排尿、排便、生殖都共用一個開口，因此被命名為單孔目（Monotreme）。它們曾經(jīng)與人類有著共同的哺乳動物，1.8億年前在演化路上形成兩個分支，分別是人類所在的獸亞綱（Theria），鴨嘴獸所在的原獸亞綱（Prototheria）。后來，原獸亞綱的其他幾個目紛紛滅絕，僅余單孔目；而其下的鴨嘴獸科，也僅余鴨嘴獸一種。

日本國立博物館的鴨嘴獸標本 | Motokoka, Wikimedia, CC BY-SA 4.0

研究團隊獲得鴨嘴獸和針鼴的高質量基因組數(shù)據(jù)之后，通過對比人類、有袋類動物等基因組數(shù)據(jù)，得到不少關于演化的古早秘密——和其他哺乳動物一樣，鴨嘴獸幼崽會依靠媽媽的乳汁長大，但它們也有著不少怪異之處，比如它們的性染色體數(shù)，是人類的五倍。

鴨嘴獸的性染色體比人類多

雖然人類與鴨嘴獸有著共同的祖先，但是在性染色體發(fā)展上卻少有關聯(lián)。人類有23對、46條染色體，其中有1對是性染色體，女性為XX，男性則為XY。鴨嘴獸則有5對性染色體，一共10條，雌性為10條X染色體，雄性有5條X染色體和5條Y染色體。

鴨嘴獸有5對性染色體 | 參考文獻 [1]

這會不會是在演化過程中，人類丟失了一部分性染色體，或是鴨嘴獸復制了多幾組呢？本次的研究成果給出了答案——通過對比基因組發(fā)現(xiàn)，單孔目動物的性染色體與包括人在內的大多數(shù)哺乳動物的性染色體并沒有任何同源關系。可以理解為，人類與鴨嘴獸是在祖先分歧之后，各自獨立演化出了不同的性染色體系統(tǒng)。

鴨嘴獸有著特殊的性染色體系統(tǒng) | Field Museum, flickr

在對比了鴨嘴獸和鳥類的性染色體之后，研究團隊發(fā)現(xiàn)，鴨嘴獸的性染色體反倒與鳥類的有更高的序列相似性。它們非?？赡苁峭ㄟ^多對古老的常染色體相互之間發(fā)生非同源的片段交換而產(chǎn)生，即發(fā)生了轉座異位。產(chǎn)卵繁殖的鴨嘴獸在性染色體的層面上，也與鳥類有著不謀而合的傾向。

推測可能發(fā)生的轉座異位情況 | 參考文獻 [1]

關于鴨嘴獸的其他神奇設定

鴨嘴獸種群數(shù)量并不多，被全球瀕危物種紅色名單IUCN評為近危（Near Threatened ），我們只能在澳洲見到。它們有著像鴨子的嘴巴，像河貍的身子，像水獺的爪子，以及扁平的尾巴幫它們在游泳時獲得平衡。

模樣古怪的鴨嘴獸 | Klaus, Wikipedia, CC BY-SA 2.0

雖然是哺乳動物，鴨嘴獸卻靠產(chǎn)卵繁殖。它們產(chǎn)下來的蛋稍微不同于鳥類的硬殼蛋，其直徑往往只有1cm，而且是軟殼革質的。研究團隊發(fā)現(xiàn)，它們相較爬行類和鳥類來說雖然丟掉了一些基因，但仍保留著多數(shù)參與卵形成的基因（比如編碼卵黃蛋白原分子的基因——這一分子參與了卵黃營養(yǎng)物質運輸過程），而這些產(chǎn)卵相關的基因在人類、考拉等常見哺乳動物中已經(jīng)完全丟失。

破殼而出的鴨嘴獸幼崽 | Smithsonian Channel

鴨嘴獸的幼崽與其他哺乳動物一樣，需要依靠媽媽分泌的乳汁成長。這一點在基因組數(shù)據(jù)中得到了印證，以鴨嘴獸為代表的單孔目物種有著參與泌乳過程的基因，比如編碼酪蛋白（Casein）——乳汁中主要成分之一的基因。這也說明了哺乳這一特征和對應的基因，早在人類和鴨嘴獸的共同祖先身上就已經(jīng)演化形成；而我們體內的這段基因，也許1.8億年前就已經(jīng)存在。

小鴨嘴獸靠哺乳喂養(yǎng)長大 | MelbourneWater

鴨嘴獸會熟練地潛水，在水里靠感受生物發(fā)出的微弱電場來定位捕食。它們的眼睛很小，并不常在水中使用，耳朵位于眼睛后方的凹槽里，會在潛水之時閉合起來。而感受獵物的部位，正是它們那個鴨子模樣的嘴巴——上萬個電感應器位于嘴巴的皮膚上，如雷達一般能迅速感知水中生物的電信號。

作為夜行性動物，在水中摸黑覓食，它們的犁鼻器受體稍有擴大，這和其他夜行性動物有著類似的結論，犁鼻器受體基因的數(shù)量也比針鼴等動物多。

它們并不是靠雙眼去尋找獵物 | Dave Irving, flickr

犁鼻器（Vomeronasal organ VNO）這一器官聽起來可能有些陌生，實際上人類也有這么一個部位。它位于口腔頂壁、鼻腔底部，不過已經(jīng)高度退化。動物學研究中，犁鼻器被證實是用于輔助感受物質的氣味甚至荷爾蒙的，蛇類、蜥蜴、大象、牛羊、貓咪都有著類似的構造。比如蛇類在收回叉狀舌頭時，會利用口腔上顎的犁鼻器來檢測空氣中的化學線索，以輔助判斷獵物或捕食者是否存在。

鴨嘴獸每天的食量是自己體重的15~30%，而它的胃卻幾乎退化了。它會靠著扁平的鴨嘴在水底掘起食物，連同泥沙一并放入頰囊里，帶到岸上再認真咀嚼。水中的蠕蟲、淡水蝦、蝌蚪、魚卵、蟲卵等等皆是鴨嘴獸的食物。然而成年鴨嘴獸并沒有牙齒，憑借帶有橫脊的角質化牙齦板，把食物反復碾碎消化；幾乎退化的胃，則被連接在一起的腸道和食管取代。

岸邊生活的大胃王 | Heinrich Harder, wiki commons

從基因組分析里能看出，鴨嘴獸和針鼴都丟失了許多牙齒和胃發(fā)育相關的基因，比如參與牙齒形成及牙釉基質礦質化的牙成釉細胞相關基因（Odontogenic ameloblast-associated Gene），引導ATP酶將氫離子泵入胃中、刺激胃酸分泌過程的胃泌素基因（Gastrin Gene），而這兩個基因在我們人類身上仍存在。

科學探索，步履不停。從繁復的基因組中，我們逐漸讀懂了一連串的生物密碼，也正在一步步地揭開，關于遠古生命的更多奧秘。

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