在一项新研究中，亚利桑那州立大学的科学家及其同事研究了自然隔离的水蚤种群 Daphnia pulex 中发生的基因变化。这种微小的甲壳类动物肉眼几乎看不见，但在淡水生态系统中起着至关重要的作用，为了解自然选择和进化提供了一个独特的窗口。

他们的研究成果发表在最新一期的《美国国家科学院院刊》上，该成果基于十年的研究成果。研究小组利用先进的基因组技术分析了近 1,000 只水蚤的 DNA 样本。

他们发现，自然选择对单个基因的强度每年都存在很大差异，通过为自然选择提供原材料，可以保持变异并潜在地增强适应未来不断变化的环境条件的能力。

在看似稳定的环境中，即使多年来总体选择强度平均保持在接近零的水平，特定染色体区域基因变异(即等位基因)的频率也会随时间发生显著波动。这表明，这种遗传变异使种群能够适应环境变化。

“这项研究首次让我们了解到即使在看似恒定的环境中也会发生的基因频率的时间变化，这是一种分布在整个基因组中的基因变异的持续变化，” 新研究的主要作者迈克尔·林奇说。

林奇是生物设计进化机制中心主任 ，也是亚利桑那州立大学生命科学学院 的教授 。这项研究的其他研究人员包括来自亚利桑那州立大学、华中师范大学和圣母大学的同事。

选择的力量

水蚤是一种浮游动物，几个世纪以来一直受到生物学家的关注，因为它们在水生生态系统中发挥着关键作用，并且能够适应环境压力。除了对多代遗传研究的价值外，水蚤还是广泛用于淡水毒性测试的模型生物，因为它们具有快速的无性生殖周期，并且对各种环境污染物敏感。

这些微小生物是鱼类的重要食物来源，有助于抑制藻类的生长。它们快速适应环境变化的能力可以为其他物种(包括对人类食物供应至关重要的物种)如何应对污染、气候变化和其他人类引起的压力提供线索。

研究显示，在水蚤基因组中，大多数被研究的位点在研究期间经历了不断变化的选择压力。平均而言，这些压力趋于平衡，总体影响不大，这意味着没有一个单一的选择方向会随着时间的推移而持续占主导地位。相反，特定特征的遗传优势或劣势会随着时期而变化。

这些发现挑战了传统的信念，即测量遗传多样性(一个种群中不同特征的范围)和遗传分化(种群之间的差异)可以轻松显示自然选择如何持续运作。相反，自然选择的运作似乎比以前想象的更加微妙和复杂。

重新思考遗传变异

这项研究开辟了新局面，精确地指出了基因组中选择压力发生的时间和地点。除了已知受自然选择强烈影响的特征外，关于自然种群中等位基因频率如何随时间变化的信息很少。

对来自蚤状水蚤种群的近 1,000 个基因样本进行的多年全基因组分析表明，大多数基因位点经历了不同的选择，平均效应接近于零，这表明在不同时期几乎没有一致的选择压力，并且选择分散在许多基因组区域。

这些发现挑战了对遗传多样性和分化作为随机遗传漂变和选择强度指标的通常理解。

变异与生存

观察到的不同基因位点的选择模式提供了一种维持遗传多样性的机制，这对于快速适应至关重要。该研究还表明，染色体上彼此靠近的基因往往以协调的方式进化。这种联系使基因变体的有益组合可以一起遗传，从而有可能加速适应过程。

这种效应可能有助于解释为什么物种的适应速度有时比科学家通常预期的要快。另一方面，同样的现象可能导致有害等位基因被相关有益等位基因扫到更高的频率，在某些情况下降低了选择的总体效率。

这项研究表明，进化比以前认为的更加动态和复杂。环境对基因的影响经常发生变化，可能有助于物种保持适应未来条件所需的遗传多样性。这一新认识可能促使科学家重新思考他们研究野生进化的方式。

虽然这项研究的重点是水蚤，但研究结果可能有助于了解其他物种如何应对快速的环境变化，包括由人类活动引起的环境变化，如污染和气候变化。评估更稳定环境中等位基因频率的稳定性是一个重要的初步步骤。这类研究至关重要，因为单靠实验室实验无法复制环境对野生种群影响的复杂性。

此外，了解水蚤如何进化可能有助于了解整个生态系统的恢复力。这些知识可以帮助研究人员预测并​​尽可能减轻环境变化对生物多样性和食物网的影响。

随着世界努力应对日益加剧的环境危机，像这样的研究为了解大自然的恢复力和适应能力提供了至关重要的见解。通过继续研究这些微小的生物，科学家们希望更好地了解进化的基本机制，并将这些经验应用于更广泛的生态和保护工作。