高大的烦恼:长颈鹿的特殊解剖学和一系列的进化适应性

长颈鹿是一种真正令人费解的动物。长颈鹿具有特殊的解剖结构和一整套进化适应性,是动物进化和生理学的杰出案例。现在,来自哥本哈根大学和中国西北工业大学的一个国际研究小组已经从长颈鹿身上提取了一个高质量的基因组,并研究了哪些基因可能是长颈鹿独特生物特征的原因。

长颈鹿非凡的身材导致了一长串的生理共同适应性。例如,长颈鹿的血压是人类和大多数其他哺乳动物的两倍,以使高耸的头部获得稳定的血液供应。长颈鹿是如何避免高血压带来的常见副作用,比如应对心血管系统的严重损害或中风?

该团队发现了一种特殊的基因–被称为FGFRL1–与其他所有动物相比,长颈鹿的基因发生了许多变化。他们利用复杂的基因编辑技术,将长颈鹿特异性的FGFRL1突变引入实验室小鼠体内。有趣的是,长颈鹿型小鼠在两个重要方面与正常小鼠不同:在接受增高血压药物治疗时,它们遭受的心血管和器官损伤较少,而且它们的骨骼长得更紧凑、更致密。

“这两个变化都与长颈鹿独特的生理特征直接相关–应对高血压,保持紧凑和强壮的骨骼,尽管它们比其他哺乳动物生长得更快,以形成伸长的颈部和腿部。”来自哥本哈根大学生物系的Rasmus Heller说,他是这项研究的主要作者之一。

对人类来说,一觉睡醒从床上跳下来可能是一件轻松而优雅的事情,但对长颈鹿来说,这绝对不是一件容易的事。仅仅是站起来就是一个漫长而笨拙的过程,更不用说从凶猛的捕食者手中站起来逃跑了。因此,长颈鹿已经进化成比其他大多数哺乳动物花更少的时间睡觉。

Rasmus Heller详细介绍道。”我们发现调节昼夜节律和睡眠的关键基因 在长颈鹿身上受到了强烈的选择, 可能让长颈鹿的睡眠-觉醒周期比其他哺乳动物更加短。”与其他动物的研究一致,一种进化的权衡似乎也在决定着它们的感官知觉,Rasmus继续说道。

“长颈鹿一般都非常警觉,利用它们的身高优势,利用它们出色的视力来扫描地平线。相反,它们失去了许多与嗅觉相关的基因,这可能与5米处与地面相比气味的存在被彻底稀释有关。”

这些发现提供了对进化的基本模式的见解。强烈选择的FGFRL1基因的双重效应符合一种现象,即一个基因可以影响表型的几个不同方面,即所谓的进化多向性。多重性对于解释异常大的表型变化特别有意义,因为这种变化往往需要在很短的进化时间内改变一套性状。因此,共生性可以为进化如何实现形成长颈鹿这样极端的动物所需的许多共同依赖性变化的谜题提供一种解决方案。此外,该研究结果甚至将FGFRL1确定为人类心血管疾病的可能研究目标。

“这些结果展示了动物是很有趣的模型,不仅可以理解进化的基本原理,还可以帮助我们了解哪些基因会影响一些我们真正感兴趣的表型–比如与疾病相关的表型。然而,值得指出的是,基因变异在不同物种中的表型效应并不一定相同,表型除了受编码区域的变异影响外,还受到许多其他因素的影响。”该研究的另一位主要作者、来自西北工业大学的Qiang Qiu说。

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