研究发现，大白鲨体内神秘的DNA断裂与当前的解释相悖

目前尚不清楚为什么经常冒险进入海洋深处的白鲨似乎仍然保持在离散的种群中，中间几乎没有混合。摄影：uux.cn/Greg Skomal

（神秘的地球uux.cn）据佛罗里达自然历史博物馆（作者：Jerald Pinson）：在上一个冰河时代，白鲨（Carcharodon carcharias）几乎是自下而上的，当时海平面比现在低得多，鲨鱼不得不在更少的空间里生存。最近一次寒流大约在1万年前结束，从那以后，地球一直在逐渐变暖。随着气温的升高，冰川融化，海平面上升，这对大白鲨来说是个好消息。

发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究结果表明，在南印度洋的某个地方，白鲨已经减少到一个单一的、混合良好的种群。大约7000年前，白鲨的基因开始分化，这表明到那时它们已经分裂成两个或多个孤立的种群。

这是新的信息，但并不特别令人惊讶。即使在最好的时候，周围也从来没有很多白鲨，这与它们在锥形食物链顶端的地位相称，因为缺乏活动空间限制了它们的数量。今天，有三个基因不同的白鲨种群：一个在南半球澳大利亚和南非周围，一个在北大西洋，另一个在北太平洋。尽管分布广泛，但白鲨的数量仍然很低。

佛罗里达自然历史博物馆佛罗里达鲨鱼研究项目主任、该研究的合著者加文·内勒说：“全球可能有大约2万只鲨鱼。”。“任何一个城市的果蝇都比全世界的大白鲨还多。”

在困难时期，种群数量少的生物可能会被危险地推向灭绝的边缘。数英里高的冰川从两极延伸出来，锁住了如此多的水，以至于到25000年前，海平面已经下降了约40米（131英尺），消除了栖息地，并将大白鲨限制在海洋畜栏中。

但大白鲨在大回归期间发生了一些事情，现在仍然是一个谜，就像20多年前首次被发现时一样。这项研究的主要动机是给出一个明确的解释，但尽管使用了有史以来最大的白鲨遗传数据集之一，事情并没有完全按照计划进行。

“诚实的科学答案是我们不知道，”Naylor说。

科学家们在2001年首次发现了一些奇怪的东西，当时一个研究小组发表了一篇论文，以这条线开头，“……关于……大白鲨的信息很难获得，尤其是因为这种鱼的稀有性和巨大的体型。”

该研究的作者比较了从澳大利亚、新西兰和南非的数十条鲨鱼身上采集的基因样本。他们发现，尽管个体之间产生和储存在细胞核中的DNA基本相同，但南非鲨鱼的线粒体DNA与澳大利亚和新西兰的鲨鱼明显不同。

一个看似显而易见的解释是，大白鲨倾向于团结在一起，很少闯入邻近的群体。随着时间的推移，每个群体中都会积累独特的基因突变，如果这种突变持续足够长的时间，将导致新物种的形成。

这可以解释观察到的线粒体DNA的差异，但不能解释为什么所有三个种群的核DNA几乎相同。为了解释这一点，作者提出，雄性鲨鱼全年都会走很远的距离，但雌性鲨鱼要么从不走很远，要么即使走了很远，它们也最常在繁殖季节回到同一个地方，这种迁徙模式被称为philopatry。

这一观点是基于这样一个事实，即核DNA和线粒体DNA在植物和动物中的遗传比例并不相等。细胞核内的DNA由父母双方传给后代，但只有一个——通常是雌性——为下一代提供线粒体。这是线粒体是自由生活的细菌时代的遗留物，在它们被真核生物的祖先随意吞噬和重新利用之前。

这是一个很好的猜测，而且后来证明它基本上是准确的。雄性和雌性大白鲨全年都会长途跋涉寻找食物，雌性大白鲨则会在交配前返回。

因此，大白鲨的核DNA应该有更少的变异，因为流动的雄性会把东西混在一起，而不同种群的线粒体DNA应该是不同的，因为philopatric雌性会确保所有独特的差异都留在一个地方。在过去的二十年里，这一直是人们青睐的解释，似乎就像一副破旧的手套。除了，从来没有人真正穿上它来测试它的大小。这主要是因为很难获得所需的数据，原因与试金石研究中提到的相同：大白鲨并不多，当研究人员确实找到一条大白鲨时，在不丢失任何附属物的情况下采集DNA样本可能是一件棘手的事情。

Naylor和他的同事们早在2012年就开始收集必要的数据。他说：“我想建立一个白鲨核基因组，以探索其分子特性。”。“白鲨有一些非常特殊的属性，我们有大约40或50个样本，我认为我们可以用来设计探针来观察它们的种群结构。”

在接下来的几年里，他们还对大约150个白鲨线粒体基因组的DNA进行了测序，这些基因组比核基因组更小，组装成本更低。这些样本来自世界各地，包括大西洋、太平洋和印度洋。

当他们比较这两种DNA时，他们发现了与2001年发现的模式相同的模式。在种群水平上，北大西洋的白鲨很少与南大西洋的白鲨混合。太平洋和印度洋的鲨鱼也是如此。在分子水平上，所有白鲨的核DNA保持相当一致，而线粒体DNA显示出惊人的变异量。

研究人员知道philopatric理论，并进行了一些测试，看看它是否成立，首先是通过专门观察核DNA。如果回到同一个地方交配的行为真的是奇怪线粒体模式的原因，那么核DNA中也应该出现一些小信号，其中雌性为后代贡献了一半。

“但这根本没有反映在核数据中，”Naylor说。

接下来，他们为线粒体基因组设计了一个复杂的测试。为了做到这一点，他们首先必须重建白鲨最近的进化历史，这就是他们如何发现它们在上一个冰河时代减少到的唯一南方种群。

Naylor说：“当海平面最低时，它们真的很少。然后随着冰的融化，它们的数量增加并向北移动。我们怀疑它们留在北部水域是因为它们找到了可靠的食物来源。”。具体来说，他们遇到了海豹，海豹是白鲨的主食，也是它们对特定地点如此忠诚的主要原因之一。

“这些白鲨会过来，吃到美味的鲸脂香肠。它们会发胖，繁殖，然后绕着海洋游动。”

知道鲨鱼何时分裂是关键，因为每个群体在这个时候都会开始在基因上相互分化。研究人员所要做的就是确定从现在到最后一个冰河时代的10000年是否足够让线粒体DNA积累数据中观察到的差异数量，如果哲学是罪魁祸首。

他们运行了一个模拟来找到答案，结果是否定的。Philopatry无疑是大白鲨的一种行为模式，但它不是大线粒体分裂的原因。

因此，Naylor和他的同事们回到绘图板上，找出什么样的进化力量可以解释这些差异。

Naylor说：“我提出了一个想法，即性别比例可能不同——只有少数女性在一代又一代的人口中做出了贡献。”。这种繁殖偏斜可以在各种生物中观察到，包括猫鼬、慈鲷和许多类型的群居昆虫。

但另一项测试表明，繁殖偏斜不适用于白鲨。

团队成员表示，现阶段他们不能排除第三种选择，尽管可能性较小，即自然选择是造成差异的原因。这之所以牵强，与进化力量的相对强度有关。自然选择——即最适合留下后代的生物实际上通常是拥有最多后代的生物——总是很活跃的，但在大种群中效果最强。相比之下，较小的种群更容易受到所谓的遗传漂变的影响，在这种漂变中，随机性状——甚至是有害的性状——有更高的机会遗传给下一代。

例如，佛罗里达州的豹是高度濒危的，野外只剩下几百只。它们中的大多数在尾巴末端都有一个扭结，可能是从单一祖先那里遗传来的。在主要受自然选择影响的大量人群中，这种特征要么仍然不常见，要么随着时间的推移完全消失。但在一个小种群中，一只尾巴扭结的猫可以通过遗传漂变纯粹偶然地改变世界。

相比之下，引力在物质和能量的所有尺度上都会施加力，但它是四种基本物理力中迄今为止最弱的。在行星和恒星的尺度上，引力可以将太阳系和星系结合在一起，但它对原子的形状或相互作用影响很小，原子的形状和相互作用受三种更强但更局部化的力的控制，如电磁力。

根据这项研究的结果，遗传漂变无法解释大白鲨线粒体之间的差异。因为这是一个完全随机的过程，它不能选择性地靶向一种类型的DNA并保留另一种。如果它是罪魁祸首，核DNA中也会出现类似的变化。

这使得自然选择成为唯一的其他可能性，但由于白鲨的种群规模较小，这似乎不太可能。Naylor说，如果是病原体，选择性部队“必须是残酷致命的”。

如果你在一个集中的空间中收集到足够的质量，比如说在黑洞的数量级，那么原本良性的引力就会变得足够强大，足以吞噬光。

如果自然选择在这种情况下发挥作用，它将以同样强大的方式表现出来。任何与特定人群中最常见的线粒体DNA序列的偏差都可能是致命的，从而确保它不会传递给下一代。

但这还远未确定，内勒对这一结论的有效性表示怀疑。目前，科学家们面临着一个开放式的问题，只有通过进一步的研究才能解决。