笨拙的它為何棄天空而擇海洋？

　　陸地脊椎動物祖先從海洋登上陸地，鳥類的祖先又從陸地飛向了藍天，而企鵝作為鳥類，卻在約6000萬年前，拋棄藍天，再一次適應了海洋生態系統的，成為了鳥類中的最強潛泳者，并成功地在地球上的極端環境中生存下來的？

　　7月19日，我國科學家領銜的中外聯合團隊通過多學科聯合的方式重建了企鵝的起源與演化過程，并以此為案例揭示了環境變化、氣候及地質事件對企鵝物種形成的影響，找到了一系列關鍵性狀的分子基礎解釋了企鵝如何二次適應海洋生態環境。相關研究成果發表于《自然—通訊》上。

生活在南極大陸的帝企鵝 深圳華大生命科學研究院供圖

　　多學科聯合解謎

近代企鵝 特蕾莎·科爾等繪

　　在過去相當長的時間里，企鵝家族的演化歷史撲朔迷離。科學家困惑于企鵝六大支脈之間的關系，始終沒能完全厘清企鵝物種之間的關系。而已經知曉的企鵝化石足足有32個屬，更是增加了理順企鵝演化關系問題的難度。

　　不能理解企鵝內部的演化關系，就無法了解企鵝是如何逐漸演化出現今的形態和特征的，也無法準確理解企鵝如何在極地環境的塑造下發生演化，也無法回答企鵝的飛鳥祖先為何會向海洋發生二次適應的問題。

　　在這項研究中，科學家首次在全球范圍收集了包括化石物種在內的幾乎所有已知74種企鵝的形態及地理等數據，構建了全部24種現存企鵝和近代滅絕的3種企鵝的高質量基因組數據集。

　　“這是首次在全球范圍內公開所有近代企鵝物種的高質量基因組，包括亞種、地方支系以及近期滅絕的企鵝物種。”論文第一作者和共同通訊作者、丹麥生物多樣性基因組研究中心博士后特蕾莎·科爾介紹，“這項研究還融合了基因組學和古生物學等手段，綜合了滅絕物種和現生類群進行比較分析，厘清了企鵝成員之間的演化關系，也為演化基因組研究提供了許多新方法。”

重建的企鵝演化關系 特蕾莎·科爾、周程冉繪

　　重建企鵝家族演化歷程

　　大約在6500萬年前，白堊紀生物大滅絕事件后不久，企鵝的祖先在古西蘭地區出現了。當時的古西蘭已孤懸于大陸之外，南半球各個大陸分布也已接近今天的位置，只有南極大陸仍然通過陸橋與南美大陸相連。古企鵝正是從古西蘭地區開始向古陸橋附近擴散。

　　4000萬年前，連接南極和南美兩塊大陸之間的陸橋斷開，陸橋殘存的部分成為了今天的南極半島。從此，南極洲完全處在海洋的包圍之中，隨著海峽的逐漸打開，環繞南極的洋流開始形成，南極大陸的氣候變得更加寒冷。

　　3400萬年前，南極冰蓋形成。在相當長的歷史時期，企鵝主要分布在古西蘭、南極半島和南美洲南部海岸及其附近海域。這個時期出現了不少巨型企鵝物種，如約2米高的卡氏古冠企鵝是迄今為止所知的最大型企鵝。

　　直到約1400萬年前，現代企鵝的共同祖先出現在了古南美洲。它們向南極洲擴散并首先在南極半島和南極大陸分化形成了王企鵝屬，之后，其他現代企鵝分支也先后出現。

　　“現生企鵝的共同祖先出現在大約1400萬年前，之后氣候環境的變化推動了企鵝物種的快速分化，在分化過程中還伴隨著復雜的基因流動，這些對現生企鵝的形態多樣性的塑造造成了巨大的影響。”論文通訊作者、浙江大學生命演化研究中心教授張國捷告訴《中國科學報》。

　　到了距今大約260萬年前的時候，地球的氣候又發生了劇烈的變化，第四紀冰期到來，企鵝家族也隨之發生了快速演化事件，在較短的時間內分化出了大部分的現生物種。它們的分布范圍大為擴展，覆蓋了南極洲和南半球其它各主要大陸的南部海岸，基本奠定了今天的物種格局，成為了南冰洋最主要的海鳥。在這個過程中，逐漸增強的南極繞極流很可能為企鵝的傳播提供了重要的助力。

　　“在過去6000多萬年的漫長時間里，企鵝經歷了巨大的環境變化，尤其是從溫暖亞熱帶到‘寒冰地獄’的變遷，但是每次環境劇變后都有企鵝支系能脫穎而出、繁榮興盛。這提示企鵝有極強的演化適應能力，讓我們對于這些神奇動物的未來感到樂觀。”中國科學院動物研究所研究員張德興在采訪中談到。

企鵝的歷史分布及推測的擴散情況，箭頭為企鵝可能的擴散路徑，彩色區域為企鵝的分布范圍。周程冉繪

　　環境雕刻師如何塑造企鵝

　　當研究團隊站在演化的尺度上去觀察企鵝，發現了它們的體型逐漸趨向小型化；喙、四肢等形態特征逐漸轉變為更適合海洋環境的特征；企鵝的物種數目由于冰期事件的影響，也與溫度呈現了相反的變化趨勢。

　　“傳統上認為熱帶或溫帶生物相對極地生物會有更快的演化速率。”論文共同第一作者、深圳華大生命科學研究院周程冉博士提到，“但我們發現帝企鵝等高緯度企鵝具有比低緯度企鵝更快的演化速率。意味著南極環境引起的壓力與歷史氣候波動等因素一同推動了企鵝的擴散與分化，也在一定程度上促進了高緯度物種對極地環境的適應。”

　　此外，研究團隊還找到了一系列關鍵基因，匯總出了企鵝適應寒冷環境以及水下生活的“基因秘訣”。

企鵝功能基因展示 周程冉、方妙全繪，照片來自pixabay

　　比如水下視覺能力。相比空氣，海水的透光性要差得多，由于海水的吸收作用，光被迅速削弱，僅有少許藍光等短波長光能到達水下約200m的深度。“水下視力一直是潛鳥面臨的巨大挑戰，而在企鵝中，一些光敏感相關的基因生了突變，影響了光傳導通路，促進了對藍光、紫外光的識別，讓企鵝具備了水下及暗光環境下敏銳的視覺。”論文共同一作、深圳華大生命科學研究院生物信息分析師方妙全解釋，正是憑借多視覺基因改變的方式，企鵝獲得了更好的水下視力。

　　再如，作為具有最強潛泳能力的鳥類，企鵝中的血紅蛋白和肌紅蛋白具有顯著區別與其它鳥類的保守位點，王企鵝屬也有區別與其它企鵝的保守位點。“這些特征使得企鵝能夠更高效地利用血液中的氧氣，使其自身成為了‘高效富氧艙’，延長了潛水時間。”方妙全補充道。