在響尾蛇和它們的獵物之間的進化軍備競賽中，嚙齒動物、鳥類和其他爬行動物為了生存，對響尾蛇的致命毒液產生了抵抗力。但是由科羅拉多大學博爾德分校和德克薩斯大學阿靈頓分校領導的一項新研究揭示了蛇是如何保持優勢的:它們擁有廣泛而多樣的基因工具，這些基因可以編碼蛇毒，使它們能夠適應當地獵物和環境的變化。
這項研究結果發表在今天的《Nature Ecology & Evolution》，這有助于解釋響尾蛇是如何在數百萬年的時間里跟上獵物對毒液的抵抗力進化的。這項研究推翻了幾十年來關于影響蛇毒基因進化和蛇毒變異的因素的思考，并揭示了為什么開發有效的抗蛇毒血清治療蛇咬傷仍然如此具有挑戰性。
該論文的第一作者、科羅拉多大學博爾德分校生態學和進化生物學博士后Drew Schield說:“我們發現這些響尾蛇的毒液種類更多樣，工具包中有更多的基因工具，這比它們的毒液成分所顯示的要多。”
蛇毒是一種進化適應，由不同的酶和毒素組成，使蛇能夠捕捉獵物。幾十年來，生物學家一直認為，捕食者和獵物之間的共同進化將使蛇毒變得高度專一:毒液進化以有效地殺死特定的獵物，而未被使用的毒液基因的遺傳多樣性在這個過程中消失。在進化生物學中被稱為“定向選擇”，這個過程就像一把鋒利的刀——當武器變得更致命時，它在這個過程中失去了一部分自身。
這項新研究提出，相反，“平衡選擇”是起作用的機制，是一個基因的多個版本——在這種情況下，編碼毒液蛋白的基因——保持而不是消除的進化過程。這可能是蛇如何阻止自己進入進化死胡同的關鍵。
“這些抵抗機制在獵物身上的存在讓我們想知道:如果有選擇壓力強加給蛇，那么從進化的角度來說，擁有一個更大的毒液庫可能是有意義的，”Schield說。
響尾蛇捕食多種動物，包括老鼠、田鼠、鳥類和蜥蜴，隨著時間的推移，選擇不僅可以保持，而且可以主動選擇更大的毒液基因多樣性，這是以前沒有研究表明的。
“我們的發現有助于解釋幾十年來看似矛盾的理論和證據，是什么導致了在蛇毒中觀察到的極端變化。事實證明，蛇和獵物之間的軍備競賽最終有利于毒液變體的不斷重組，隨著時間的推移，導致大量毒液變體的保留，其中一些是古老的。”
2019年，在德克薩斯大學阿靈頓分校(University of Texas at Arlington)擔任研究生和博士后研究員期間，Drew Schield和他的同事們發現了響尾蛇基因組中毒液基因的位置，在此之前，這幾乎是一個謎。現在他知道了毒液的基因結構作為一種特征(發表在《Genome Research》上)，他意識到科學家可以研究在毒液基因上起作用的進化機制。
蛇毒是一個很受歡迎的研究課題，一個很有希望的模型來理解基因的起源。但此前在這一領域的研究并沒有探索選擇是如何在密切相關的種群中塑造這種特征的，所以研究人員將重點放在了科羅拉多州、蒙大拿州、加利福尼亞州和愛達荷州的特定響尾蛇種群上。
在勘察了這些蛇的生活地點后，Schield和他的合著者在2017年至2020年的幾年中前往了一系列地點，在那里他們收集了68條響尾蛇，它們屬于兩種不同的物種，占據了美國西部，以便采集它們的血液、毒液并進行物理測量。
他們對這些響尾蛇物種的基因組進行了測序和分析，研究了蛇毒基因所在基因組區域的遺傳變異。他們發現了驚人的基因多樣性，以及自然選擇維持多種不同毒液基因形式的有力證據，這為平衡選擇在自然界中比以前認為的更普遍提供了越來越多的證據。
基于這項新研究，Schield懷疑，雖然定向選擇可能驅動了毒液的來源，但在更近的時間尺度上，可能有一種平衡的選擇轉向有利于不同的毒液庫。
這可能是毒蛇咬傷難以治療的一個原因。
“當你研制抗蛇毒血清時，這些進化機制增加了你所要應對的復雜性，因為在不同地理區域的同一物種中，毒液的成分可能完全不同，”Schield說。
Schield說，了解毒蛇基因組的真正多樣性——從響尾蛇到眼鏡蛇和珊瑚蛇——可以促進抗蛇毒治療的進步，拯救世界各地的生命。