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动物世界里的,的小龙虾

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-09-07 05:13

愚蠢的人类制造出了一种能自我克隆、繁殖极快的恶魔生物,然而一个大意,这种生物就逃逸到自然界里,逮谁灭谁,血雨腥风——这种情节曾是科幻恐怖片的最爱,然而科学家们发现,这事早在二十几年前就已经成真了。

最近这五年,德国生物学家FrankLyko博士,一直在研究一种身长15厘米的小龙虾。这种小龙虾的样本在国外非常好找,可以去宠物市场买,也可以和同事直接去湖边抓就好。夜幕降临,他们只需要打开头灯,走到浅滩,这些小龙虾便会从藏身的地方出来,顺着灯光,在脚踝周围游来游去。Lyko表示,这小龙虾到处都是,抓起来非常容易:“数量超多好不好!我们三个人,一小时就抓了150多只,还只是用手”……

据外媒报道,生物为了生存,会利用基因突变来适应环境。最新研究报告指出,一种名为“大理石纹螯虾”的生物具有基因突变所产生的“自我复制”能力,其后代在过去25年已入侵全欧洲的淡水生态系统。

“圣僧拜佛到西梁,国内衠阴世少阳。农士工商皆女辈,渔樵耕牧尽红妆。”这是《西游记》中唐三藏师徒经过西梁女国时遇到的场景。那么现实中有没有这样的“女儿国”呢?

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主角就是这只看上去平凡无奇的小龙虾。

为什么他们会对这种小龙虾如此痴迷?这不是一般的小龙虾,25年前,地球上还完全不存在这种小龙虾品种,这种大理石纹背小龙虾,是最近20年才刚刚进化出来的新品种。而且,这个品种有点不一般。

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最近这五年,

图片 5一只成年的大理石纹螯虾,图中黑线代表现实里的1厘米长度。图片来源:natureecoevocommunity.nature.com

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仅25年克隆出几百万只统治欧洲

资料图:小龙虾。傅建斌 摄

这里我们首先要对“女儿国”定个标准,要符合两点:其一,“国中”都是女性;其二,这些女性不需要异性一样可以繁殖后代,如果不能如此国就难以为继。

德国癌症研究中心的生物学家Frank Lyko博士一直在研究一种身长15厘米的小龙虾…

能打又能生的怪胎螯虾

1990年代中,德国宠物圈里出现了一种新螯虾,品种不明,起源地不明。饲主们一般根据壳纹叫它“大理石纹螯虾”(Marmorkrebs),也有人管它叫“美国德州螯虾”,还有些比较认真的饲主则会写信给水产研究者,询问这种虾的学名。去信里往往会提到一件事,这种虾即使一个虾孤零零地养在缸里,也会产卵,卵也能孵出后代。

研究界就是这样注意到这种虾的。

德国柏林洪堡大学的动物学家格哈德·舒尔茨(Gerhard Scholtz)试着单独养了一只大理石纹螯虾,她没有配偶,没有藏着此前交配遗留下来的精囊,但她不断产卵,孵出后代。舒尔茨检查发现,这些后代全部是雌性。这是已知的第一种能孤雌生殖的螯虾!舒尔茨测了这种螯虾的线粒体基因,发现和原产美国的龙纹螯虾(Procambarus fallax)非常接近,可能是其近亲。2003年,舒尔茨在《自然》上发表论文首次报告了这种螯虾。在论文的最后一段,舒尔茨写道“这种螯虾……可能对欧洲淡水生态系统造成威胁,哪怕只放一只到野外,就能建立起一个足以胜过本地螯虾的种群。”

只是“欧洲”淡水生态系统?太小看虾啦!

舒尔茨这篇论文,是大理石纹螯虾研究的开端。科学家们很快注意到这种“神秘的孤雌生殖蝲蛄科螯虾”,这一研究不得了,他们发现,如果要用一个词形容大理石纹螯虾,那就是——强到逆天

首先,大理石纹螯虾长得快,长得大。实验室里同样条件下饲养250天,大理石纹螯虾比龙纹螯虾长出一倍。长就意味着重,重就意味着战斗力和抢食力都强。

图片 7左上F图,体长8.4厘米的大理石纹螯虾左钳。右上G图,体长4.7厘米的雌性龙纹螯虾左钳。虽然是亲戚又长得那么像,但一看就知道谁比较能打。图片来源:参考资料[1]

其次,大理石纹螯虾生得多,每次产的卵平均是龙纹螯虾的6倍,性成熟的速度还不比龙纹螯虾慢。养上一年,一只大理石纹螯虾基本上就会变成几百只。

图片 8大理石纹螯虾(红线所示)和雌性龙纹螯虾(蓝线所示)对比。大理石纹螯虾体长平均在35毫米,实验室里甚至发现了长到了103毫米的个体(左上图)。雌性龙纹螯虾则平均仅有18毫米。产卵,大理石纹螯虾每次平均能产300颗卵。雌性龙纹螯虾平均仅50颗卵。图片来源:参考资料[1]

此外,这货还特别能适应环境。它能适应很大范围内的温度、盐度、酸碱度,30℃以上的温暖水域里活蹦乱跳,冰面下的水流中也能安之若素。它们能安家于湖泊、稻田或沼泽,既吃素也吃荤,水藻腐叶、蜗牛鱼卵、小虫小鱼,都在它的狩猎范围内,实在饿了,就连木头也吃,反正有消化纤维素的酶。

最后,大理石纹螯虾是美国起源,天生自带“螯虾瘟疫”真菌(龙虾瘟疫真菌,Aphanomyces astaci,欧洲的鳌虾感染之后几个星期就会死去)。这种真菌美国小龙虾倒是比较适应,可欧洲小龙虾不适应啊。一百多年前从美洲传到欧洲,差点灭了欧洲的本土小龙虾。欧洲花了好些力气才灭了这病,欧洲小龙虾也才喘口气——得,这货又带着传染源来了。

总而言之,在野外,大理石纹螯虾绝对立于螯虾界鄙视链上层。

事实也证明,大理石纹螯虾的确能打,短短几年就扩散到了欧亚非三大洲的野外。如今,欧洲的德国、捷克、荷兰、瑞典、乌克兰、意大利、匈牙利、克罗地亚,非洲的马达加斯加,亚洲的日本北海道,都发现了这种螯虾的踪迹。如果考虑宠物市场,形势就更严峻了。美国和中国都不乏养着大理石纹螯虾的宠物主,意味着大理石螯虾距离这些地方的野外,也就一次放生之遥。

图片 9已知大理石纹螯虾在野外的扩散范围。图片来源:marmorkrebs.org

1995年的时候,德国生物学家Lyko博士接到了一个水生物爱好者的报告,这位水生物爱好者告诉他,自己在德国一个宠物市场淘到了一只有点像“德州龙虾”的淡水鳌虾。这虾长得有些奇特,体型尺寸比一般的鳌虾大出不少,身上是大理石纹一样的花纹,产的卵也出奇地多,一次一大窝,感觉像是个没见过的品种,想确认一下。当时Lyko发现这只虾接近一种广泛分布于北美的龙纹螯虾,但最终并没有查到其出身。

不可思议的物种:能自我复制

在人类中完全符合这两点的没有,不过动物界的孤雌生殖就完全符合“女儿国”的标准!

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这货是个啥,哪来的?

研究了好几年,其实一直都还没给大理石纹螯虾定种。

螯虾定种的常用依据之一,是雄性生殖肢的形态特征,可这新螯虾全是雌性!这就增加了通过形态定种的难度。要说测序吧,这货基因组还挺大。以前基因测序成本高,整个测下来实在测不起。

科学家本来是把这货定为龙纹螯虾里的孤雌生殖特型,不过后来把这货跟公龙纹螯虾放一起,发现二者能交配,最长的据说交配了一个多小时,可惜干打雷不下雨,再怎么交配,生出来的后代还是100%纯的大理石纹螯虾,说明大理石纹螯虾跟龙纹螯虾无法产生任何后代——这都“生殖隔离”了,干脆作为独立种吧。有人就建议把大理石纹螯虾命名为“处女螯虾”(Procambarus virginalis),毕竟人家孤雌生殖不用浪费时间谈恋爱,一只虾就能创造出一整个个大又能打的螯虾军团,完全是螯虾界的圣母玛利亚加圣女贞德。

图片 11公龙纹鳌虾(上)和大理石纹鳌虾(下)交配,抱得挺紧,时间也不短,然而……图片来源:参考文献[1]

定了名字后又过了几年,直到最近这篇新论文,德国遗传学家弗兰克·吕科(Frank Lyko)团队花5年时间给大理石纹螯虾彻底测了序,总算弄明白了这货的来龙去脉。

图片 12研究者正在检查高性能计算机,用于装配小龙虾基因组。图片来源:Sina Tönges

首先,这货是龙纹螯虾的三倍体, AA'B基因型。三组染色体里有2组(A与A')几乎完全一样,另一组(B)则有大量基因差异。

其次,这货出现的时间不长于30年。即使是自我复制,时间长了也多少会出现基因突变。然而,大理石纹螯虾不同个体的基因组实在太接近了,这意味着这个物种出现的时间太短,以至于来不及产生多少碱基突变。吕科他们给11只大理石纹螯虾做了测序,其中2只来自德国不同城市的野外,4只来自德国各地的宠物市场,4只来自马达加斯加各地野外,1只来自马达加斯加的一个市场。然而这些天南海北的螯虾里,任何两只的基因组差异最多也就4个非同义单核苷酸!大理石纹螯虾一共276条染色体,基因组有3.5 Gb,比人类基因组还大7%。这么大的基因组,11只个体测下来,一共也就发现了416个单核苷酸差异,算是变异极少了。

图片 13科学家在抓大理石纹螯虾。图片来源:Ranja Andriantsoa

最后,吕科团队还发现,从基因变化来看,马达加斯加的种群应该来自德国。德国才是更早的发源地。再结合两条信息,大理石纹螯虾最早出现在德国,美国没找到这种螯虾的野生种群,研究者拼出了这样一个故事——

二十几年前,两只不同产地的美国龙纹螯虾A与B在德国某个宠物店的水族箱里相遇,产下了爱情结晶。 A的不知是卵细胞还是精细胞出错,不慎多保留了一组染色体,于是AB结合后就诞生了一只AA'B三倍体螯虾。产地不同导致A与B的基因差异较大,于是这只三倍体螯虾生来自带杂种优势,个大能生,适应各种环境,还具备了孤雌繁殖功能。于是这只三倍体螯虾在这个水族箱里一只变成几百只,再到很多个水族箱里一只变成几百只,然后被人类随手一丢,进军野外继续一只变成几百只……短短二十几年,欧亚非的溪河湖泊里,处处都是当年那只虾的“克隆虾”。这种虾在德国已经多到什么地步?吕科跟两个同事一起去附近的湖里收集螯虾样本, 3个人在一小时内徒手抓了150只……

一般来说,自我复制是一种短期特别有效、但长期不那么看好的演化策略。优点在于省下了谈情说爱有性生殖浪费的能量,缺点一是缺少基因多样性,容易被疾病或寄生虫一扫而空;二是有害突变可能会不断累积,直致积重难返,所谓“穆勒棘轮效应(Muller's ratchet)”。不过,历史上也有一些自我复制的物种一直繁荣兴旺,比如被称为“演化丑闻”的蛭形轮虫,就这么孤雌生殖自我复制了几百万年。大理石纹螯虾到底是会长盛不衰还是昙花一现?只能拭目以待。

直到2013年,当生物学家决定彻底研究这个被宠物圈传得神乎其神的物种时,他发现,情况已经不对了。大理石纹鳌虾的繁殖速度堪比《星球大战:克隆人战争》里的场景,Lyko博士形容到:“很多爱好者只会买一只回来养,但一年之后,可能就成了几百只!”而由于它们繁殖实在太快,他们养不了,很多人会把多余的都倒进周围的湖里。在自然环境中,大理石纹鳌虾根本不需要刻意呵护,生存能力无比强大,Lyko博士说:“它们什么都吃,腐烂的树叶,蜗牛或者鱼卵,小鱼和小昆虫……。”凭着顽强的生命力和惊人的速度,它们从一个湖泊迁移到另一个湖泊,从一条溪流扩张到另一条溪流……

报道称,德国癌症研究中心生物学家法兰克・莱科博士跟他的同事,在过去5年对大理石纹螯虾进行了基因测序。他们的研究报告在5日被《自然-生态学与进化》期刊刊出。他们在报告中证明,这种常见的大理石纹螯虾,是科学已知的最不可思议的物种之一。

什么是孤雌生殖?

这种小龙虾的样本非常好找,可以去宠物市场买,也可以和同事去湖边抓…

变异螯虾能好怎?

每种入侵生物,必有人问能好怎。不少吃货摩拳擦掌——尽管放马过来,我能大吃一斤!

大理石纹螯虾能吃,但算不上好吃。而且这种动物是请神容易送神难,一旦入侵,绝对不是好事。

前面说到,大理石纹螯虾个子大,不过,这是和龙纹螯虾对比出的结果。如果和我们常吃的小龙虾即克氏原螯虾相比,那么克氏原螯虾体长一般在5.5-12厘米左右,比大理石纹螯虾还要大那么一点。也就是说,这种变异螯虾的肉,还没有普通小龙虾多。

图片 14马达加斯加市场上有售卖供人食用的大理石纹小龙虾熟食。图片来源:Ranja Andriantsoa

现在大理石纹螯虾在马达加斯加已经泛滥成灾,当地的穷人有时会吃这种螯虾,作为一种廉价蛋白质。然而,这种螯虾依然被列为“低经济价值”。而且这种螯虾会吃小鱼,导致鱼类数量下降;在稻田里,它们会啃食水稻,导致稻谷产量下降。马达加斯加当地就发现,这种螯虾导致了稻谷歉收,渔获减少,总体来说,得不偿失

更不必说这种螯虾入侵造成的物种多样性下降。在马达加斯加,从2007~2017年,十年里大理石螯虾的栖息地范围增加了100倍,从1000平方千米变成10万平方千米,现在“虾口”数以百万计,已经威胁到七种马达加斯加的本土野生螯虾。

马达加斯加的“吃货”,没能阻挡大理石纹螯虾扩张的脚步。

到底应该怎么对待大理石纹螯虾呢?

欧盟和美国的密苏里州与田纳西州已经把大理石纹螯虾列入“禁品”。在欧盟,禁止出售、饲养、扩散或放生大理石纹螯虾。尽管中国还没有这样的禁令,但如果你养着大理石纹螯虾,千万不要把它放生,不要露天饲养因为它可以通过陆路逃走,不要把这种螯虾当成钓鱼用活饵。

这种变异螯虾最理想的归宿,不是野外,不是餐桌,应该是实验室。

它好饲养,长得快,生得多,自己一只就能生出千军万马,基因型还完全一致,简直是理想的模式生物,可以用于研究生态、生理、发育、遗传、表观遗传……另外,这种动物能复制自身,能大量增殖,能迅速扩散,完全是癌细胞翻版。事实上,已经有科学家考虑用这种螯虾来模拟癌症,以研究抗癌策略。也许有一天,“恶魔螯虾”带给我们的知识,会拯救无数人类的生命。(编辑:明天)

除了数量呈几何级数疯狂增长,它们分布的地域也越来越广,从德国开始,没过几年,欧洲的捷克,匈牙利,克罗地亚全都发现了大量大理石纹鳌虾的踪迹。之后是日本,甚至非洲的马达加斯加……

研究称,大理石纹螯虾这种物种在大约25年前还不存在,而一只鳌虾经过剧烈的基因突变,变成大理石纹螯虾,且因此拥有自我复制能力,并在欧洲和其他大陆快速扩散。2007年,这一物种更入侵非洲东部的马达加斯加,如今数量以百万计,对当地鳌虾构成威胁。

孤雌生殖是自然界中存在的一种的生殖现象,指的是动植物的卵子不需要受精过程,就能单独发育成后代的生殖方式。

夜幕降临,

参考文献:

  1. Vogt, G., Falckenhayn, C., Schrimpf, A., Schmid, K., Hanna, K., Panteleit, J., ... & Lyko, F. (2015). The marbled crayfish as a paradigm for saltational speciation by autopolyploidy and parthenogenesis in animals. Biology open, bio-014241.
  2. Gutekunst, J., Andriantsoa, R., Falckenhayn, C., Hanna, K., Stein, W., Rasamy, J., & Lyko, F. (2018). Clonal genome evolution and rapid invasive spread of the marbled crayfish. Nature Ecology & Evolution. doi:10.1038/s41559-018-0467-9
  3. Martin, P., Kohlmann, K., & Scholtz, G. (2007). The parthenogenetic Marmorkrebs (marbled crayfish) produces genetically uniform offspring. Naturwissenschaften, 94(10), 843-846.
  4. Scholtz, G., Braband, A., Tolley, L., Reimann, A., Mittmann, B., Lukhaup, C., ... & Vogt, G. (2003). Ecology: Parthenogenesis in an outsider crayfish. Nature, 421(6925), 806.
  5. Martin P., Dorn N. J., Kawai T., van der Heiden C. and Scholtz G. (2010). The enigmatic Marmorkrebs (marbled crayfish) is the parthenogenetic form of Procambarus fallax (Hagen, 1870). Contrib. Zool. 79, 107-118.
  6. An aquarium accident may have given this crayfish the DNA to take over the world. (2018). Science | AAAS. 
  7. Zimmer, C. (2018). This Mutant Crayfish Clones Itself, and It’s Taking Over Europe. Nytimes.com. 
  8. Crayfish create a new species of female ‘superclones’. (2015). Science | AAAS.
  9. Invasion of the clones. (2018). Nature Ecology & Evolution Community .from
  10. Marmorkrebs.org: Advancing research on marbled crayfish. (2018). Faculty.utrgv.edu. 
  11. Faulkes, Z., & profile, V. (2007). Early reports from pet owners. Marmorkrebs.blogspot.com.
  12. Procambarus fallax f. virginalis (Marmorkrebs). (2018). CABI.
  13. Paul Kirk. Aphanomyces astaci Schikora, 1906. World Register of Marine Species. 2010

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10年繁殖面积等同美国印第安纳州

“孤雌生殖”(parthenogenesis),这个单词来源于希腊语词根,意为“处女生产”,简单说就是雌性不需要男欢女爱,也能产下后代。这种生殖方式多存在于低等无脊椎动物中,比如蜜蜂、轮虫、蚜虫,在低等的脊椎动物中也会出现,比如某些蛇类和鲨鱼,目前科学所知的孤雌生殖的动物有一千多种。

他们只需要打开头灯,走到浅滩,这些小龙虾便会从藏身的地方出来,

为了彻底揭开这背后的秘密,Lyko博士从欧洲的各个地方抓了16只这种小龙虾来研究。他和同事们决定,给这些小龙虾进行完整的基因组测序,希望能够从基因的角度,来探究小龙虾的身上隐藏的秘密。基因测序的结果,让科学家们大吃一惊。这16只不同地方抓来的小龙虾,它们的基因几乎一模一样。甚至可以说,它们几乎都是从同一个母体复制出来的,基因层面上讲,它们可以算是同一只虾!他们证实,不仅所有美洲龙纹螯虾个体在遗传学上几乎相同,从物种出现以来也只发生了几处变异。他们还发现一组染色体比其他两组更独特,这意味着该物种是两只有远亲关系的龙纹螯虾个体的后代。根据在马达加斯加野外捕捉到的个体,研究人员发现,在过去10年里,大理石纹背虾的数量在当地翻了100倍,估计现在有上百万只个体。

研究报告指出,大理石纹螯虾以惊人速度在马达加斯加各地蔓延。在10年左右的时间里,其繁殖面积相当于美国印第安纳州的大小。

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在脚踝周围游来游去,

25年前,一个简单的基因变异,变异出了一只可以无限复制自己无性繁殖的雌性小龙虾。更厉害的是,这只变异后的小龙虾,不但比一般的小龙虾体型要大,更有攻击力和统治力,它还不需要和雄性龙虾交配就可以直接产卵!产卵的数量也远大于其他的龙虾。而它的后代,也能用同样的方式自我克隆,短短的25年间已经全面入侵欧洲的淡水生态系统。

大理石纹螯虾上世纪九十年代受到德国水族爱好者的欢迎,针对此物种最早的报告来自一位业余爱好者。他告诉莱科博士自己在1995年买了一只“得州小龙虾”。

那么孤雌生殖是否就一定排除异性呢?

Lyko博士表示,这种小龙虾到处都是,抓起来非常容易:

对“吃货”来说,它是福还是祸?

这位爱好者对小龙虾的尺寸和产卵数量感到震惊,很快就将小龙虾送给朋友。不久之后,被称为“Marmorkreb”的大理石纹螯虾便在德国与其他地方的宠物商店内出现。一只大理石纹螯虾一次就能产下数百颗卵。

在《西游记》中,女儿国开国那么久,不需男性也能繁衍,为何女王对唐三藏动心呢?

“数量非常惊人,我们三个人,一小时就抓了150多只,还仅仅是用手…..”

由于大理石纹螯虾拥有超强繁殖力,导致许多饲主弃养。被丢弃到野外湖泊大理石纹螯虾繁衍出越来越多的生态群落,有时它们爬行几百米就能到达新的湖泊和河流。

2003年,德国科学家证实了大理石纹螯虾能自我复制。他们对这一物种的一小部分DNA进行定序后发现,它跟原产于北美洲和中美洲一个物种群的小龙虾有着惊人相似之处。而直到10年后,莱科博士和他的同事才开始确定大理石纹螯虾的整个基因组。

其实,对于大多数可以孤雌生殖的动物来说,它们并非“不近男色”,如果有雄性个体存在,它们会选择有性生殖。也就是说,在它们的世界中,男性可有可无,真正实现那句话“没有男人,照样生娃”。

Lyko博士和同事们为什么会对这种小龙虾这么痴迷呢?

每种入侵生物,必有人问能吃吗。不少吃货摩拳擦掌——尽管放马过来,我能大吃一斤!对于这种能自我克隆的神奇小龙虾,中国网友纷纷表示“放着我来”:“味道怎么样,说吧,想被吃成几级保护动物?”

繁殖能力超强 构成物种入侵威胁

现在笔者就带大家去动物世界中的“女儿国”游历一番吧!

因为,这种不是一般的小龙虾,它是25年前在地球上还完全不存在,刚刚进化出来的新品种!!!

大理石纹螯虾能吃,但算不上好吃。而且这种动物是请神容易送神难,一旦入侵,绝对不是好事。前面说到,大理石纹螯虾个子大,不过,这是和龙纹螯虾对比出的结果。如果和我们常吃的小龙虾即克氏原螯虾相比,那么克氏原螯虾体长一般在5.5-12厘米左右,比大理石纹螯虾还要大那么一点。也就是说,这种变异螯虾的肉,还没有普通小龙虾多。
现在大理石纹螯虾在马达加斯加已经泛滥成灾,当地的穷人有时会吃这种螯虾,作为一种廉价蛋白质。然而,这种螯虾依然被列为“低经济价值”。而且这种螯虾会吃小鱼,导致鱼类数量下降;在稻田里,它们会啃食水稻,导致稻谷产量下降。马达加斯加当地就发现,这种螯虾导致了稻谷歉收,渔获减少,总体来说,得不偿失。

由于大理石纹螯虾拥有超强繁殖力,导致许多饲主弃养。被丢弃到野外湖泊大理石纹螯虾繁衍出越来越多的生态群落,有时它们爬行几百米就能到达新的湖泊和河流。

工蜂:生子并非为了传宗接代

25年前,

它的诞生是否一无是处?

这些野外群落开始在捷克、匈牙利、克罗地亚和乌克兰出现,之后也在亚洲的日本和非洲的马达加斯加出现踪迹。

最为人知的孤雌生殖的动物就是蜜蜂。蜜蜂群体是一个神秘的组织,一个蜂巢成员大致分为:蜂后、雄蜂、工蜂。它们各司其职,有组织、有纪律。

一个简单的基因变异,一只雌性小龙虾忽然拥有了可以无性繁殖的能力…

试想一个恐怖的电影情节:一种通过无性繁殖的突变生物,悄悄入侵全球的生态系统,并且在短短二十年内,迅速传播遍及欧洲和非洲,甚至威胁当地本土物种,给生态系统造成了严重的破坏。事实上,作为甲壳纲十足目中唯一能够无性繁殖的动物,大理石纹背虾已经让这种剧情转变为现实,那么人类该如何面对这种境况呢?

外来种入侵近年来成为许多国家面临到的迫切环境问题,像是澳大利亚东海岸最近就出现海胆大量繁殖成灾的情况,海底几乎被啃成一片荒漠,严重影响当地海洋生态。

在蜂群中,蜂后的地位最高,它的主要任务是生育,每天可产2000粒卵。蜂后虽然也与雄蜂交配,但是却能产下受精和非受精两种卵,前者发育成蜂后或者工蜂(由喂养幼虫的不同食物决定),后者则发育成雄蜂。

变异后的它不但比一般的小龙虾体型要大,

“这种小龙虾是一种严重的害虫。”来自柏林洪堡大学的进化生物学GerhardScholtz说。他曾跟踪了该龙虾入侵全球的足迹,其中包括一个名叫马达加斯加的岛国,大理石纹小龙虾已经威胁到了当地7种小龙虾的生存。自从1995年在德国被发现以来,大理石纹小龙虾已经在欧洲和非洲大量繁殖。现在欧盟已经明令禁止:不得销售,保存,分发或释放大理石纹小龙虾到野外。

蜂群只有在每年的固定时期内才培育少数雄蜂,它们的存在只是为了和蜂后交配,不做任何事情。

还不需要和雄性龙虾交配就可以直接产卵,产卵的数量也远大于其他的龙虾…

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蜂群中数量最多的是工蜂,它们也是雌性,可是卵巢发育不健全,不能进行交配。

而它的后代,同也能用同样的方式自我克隆,

但这种小龙虾并非一无是处。这种变异螯虾最理想的归宿,不是野外,不是餐桌,应该是实验室。五年前,Lyko开始对大理石纹小龙虾产生兴趣,因为他认为这种新诞生的无性繁殖可能与正常细胞如何变成癌症并且产生自身克隆很相像。“在许多方面,大理石纹龙虾的侵袭扩张非常类似于癌症细胞在宿主身上呈线性增长的快速繁殖。”Jean-FranoisFlot,来自于布鲁塞尔自由大学的进化基因组学家也有着同样的观点。

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于是乎,

此外,肿瘤细胞中存在一种现象:部分基因被某些分子修饰使得表达增强,即表观遗传学。该部分基因表达的增强促进了肿瘤生长,并帮助癌细胞扩散。鉴于此,Lyko特别想研究大理石纹小龙虾的基因组,以探究其中涉及到的表观遗传学。2月5号,他们在《NatureEcology&Evolution》杂志上报道:虽然甲壳纲的基因组由35亿个碱基组成,比人类基因组要大,但其中包含的基因数量只有21,000个,和人类差不多。

为了蜂群,工蜂辛苦劳作,却不能繁衍自己的后代。基因是自私的,繁衍自己后代是自然界每个生命体的最高使命,工蜂为何反其道而行之?

这只一方霸主,通过自我克隆自我产卵繁衍,

这是史上首次公布甲壳类动物基因组。法国国家农业研究所的进化生物学家EtienneDanchin说:“这项工作为比较基因组学以及如何在具有重要生态和经济意义的物种群中确定独特特征开辟了道路。”“这项研究还为我们提供了这个基因组如何产生的线索,并可能帮助环境保护者跟踪此物种的传播”,Shotz说。此外,已经有科学家考虑用这种螯虾来模拟癌症,以研究抗癌策略。也许有一天,“恶魔螯虾”带给我们的知识,会拯救无数人类的生命。

事情的真相是这样的:蜜蜂通过社会化分工协作,能够大幅提高幼虫的生存率,和单独筑巢的雌蜂相比,蜂群中的工蜂通过提高自己“胞弟妹”生存率来提高自身基因的遗传率。

在25年来复制了成千上万个自己,现在几乎已经统治了大半个欧洲的各种水域!!

以一种名为“盐川小花蜂”的蜜蜂为例,它们的群体中一部分雌蜂有单独筑巢的特性。不同的组织形式,造就了它们不同的命运。在蜜蜂集体生活的蜂巢中,幼虫生存率达到约90%,是雌蜂单独筑巢时的9倍左右。雌蜂单独筑巢的情况下,在成虫出外觅食时幼虫得不到照管,可能被其他动物捕食,生存率大幅下降。因此与蜂后合作的雌蜂,虽然付出了没有直接繁殖后代的代价,但提高了自身“胞弟妹”的生存率,比起单独筑巢的同代雌蜂,大幅增加了传递给种群后代的基因量。

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也就是说,如今走在欧洲的湖泊,随时可能撞见一只隶属于“克隆虾”大军的成员….

不过实际情况要复杂得多。下面的这个研究会让你大吃一惊。巴西科学家对45个蜂群中的近600个雄蜂进行了研究,通过了它们的基因型来查明它们的身世。结果表明,23%的雄蜂是工蜂的后代,而不是蜂后的。

这个不可思议的故事,还得慢慢说起….

工蜂一般情况下是不能够进行交配的,但是工蜂也能孤雌生殖,能够产生一些可以发育成雄蜂的非受精卵。为了确保自己的统治地位,蜂后通常会将它下属工蜂产下的非受精卵吃掉。可是有些时候,蜂后也会被欺骗。

这种小龙虾叫做美洲龙纹螯虾(Procambarus Virginalis),在德国被称为Marmorkrebs(德语,字面意思是“大理石纹虾”)…

这里的奥妙在于,工蜂产生自己的后代不是为了传递自己的基因。那23%的工蜂产子唯一益处就是能够延长它们的寿命3倍,这个寿命周期差不多跟蜂后的一样长。处于繁殖期的工蜂一般工作量比较低,也不会执行危险的任务,比如说寻找食物。它们是为了自己的利益而繁殖出下一代劳动力的。有了新生代的劳动力可以代替自己承担工作,这些工蜂们就可以过上轻松的生活。

1995年的时候,德国生物学家Lyko博士接到了一个水生物爱好者的报告,

蟑螂:没有雄性照样横扫全球

这位水生物爱好者告诉他,自己在宠物市场淘到了一只有点像“德州龙虾”的淡水鳌虾…

蟑螂君被称为打不死的小强,它们的强悍超乎你想象。日本科学家研究发现,只要三只以上的雌性蟑螂生活在一起,它们就可以通过孤雌繁殖的方式快速生产后代,整个过程完全不需要雄性的参与。即便是你把全世界的雄蟑螂全部干掉,人家蟑螂君依旧可以生生不息。

这种淡水鳌虾样子有些奇特,尺寸比一般的鳌虾大出不少,身上是大理石纹一样的花纹,产的卵也出奇地多,一次能产几百颗卵….

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Lyko博士自己仔细比对了一下,也没有找到这种鳌虾的相关记载,只是觉得它的样子比较接近一种广泛分布于北美的龙纹螯虾(Procambarus fallax)….

为了证明雌蟑螂孤雌生殖的能力,日本科学家做了下面一个实验:

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实验中,科研人员将一只雌性蟑螂和一只或者两只被阉割的雄性蟑螂放在一起饲养。结果显示,正常的雌性和被阉割的雄性在一起的时候,也可以产卵,只不过它的产卵时间会比聚集在一起的雌性的产卵时间晚很多。

尽管没查到出身,这位水生物爱好者还是把这只虾送给了自己的朋友….

随着国家二胎政策的放开,适龄女性们聚在一起,喜欢聊下二胎问题。而几只雌蟑螂们聚在一起,可以加快“生二胎”的进程。科研人员比较了一只雌性与一组雌性(包括两只一组,三只一组,五只一组)在产卵时间上的差别。结果令人吃惊。生活在一起的雌性比单只雌性的产卵时间短很多。更神奇的是这些生活在一起的好姐妹们在产卵时间上步调非常的一致,同一次产卵时间前后差别特别的小。这充分说明了,雌性蟑螂聚集在一起生育更快,似乎有比着生的嫌疑,那么这是什么原因呢?

之后不久,这种奇特的“大理石纹螯虾”开始在宠物市场流行起来,人们纷纷买回来养在家里….

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而这些买到“大理石纹鳌虾”的主人们,都不约而同发现一个让人无比迷惑的现象:

研究人员开始以为是雌性激素刺激它们加快生育。于是研究人员给雌性个体定期提供雌性激素,但是,它们的产卵时间并没有被提前。显然,只有当雌性个体真的生活在一个完全由雌性组成的群体中的时候,它们的产卵时间才会被提前。科研人员推测,蟑螂需要雌性散发特有的化学信号才可以完成孤雌生殖,并非因为性激素或者其他非挥发性的化学信号的参与。

这种虾无一例外都是雌虾,

雌性蟑螂只通过孤雌生殖也可以维持它们的种群,但是有条件的话,它们还是乐意和夫君行周公之礼的。因为,孤雌生殖产生的卵鞘的孵化率比有性生殖产生的卵鞘的孵化率低。雌蟑螂的强悍之处在于,只要和夫君行一次“周公之礼”,就可以子孙满堂,终生产出受精卵。

而它们竟然可以不用和雄虾交配,直接产卵并繁殖出下一代!!

新螯虾:“女儿国”也能人造!

而繁殖出的下一代,

有时,“女儿国”的产生也是人类无心插柳的结果。

也都是清一色的雌虾,同样也都可以不经过交配产卵繁殖出下一代!!

上世纪90年代中期,德国一家宠物圈将两只不同品种的虾放在一起饲养,结果两种虾共赴“巫山云雨”之后产生了爱的结晶——一个全新的品种。于是世界上出现了一种新螯虾,在科学家眼里完全是一个“黑户”,无名无姓,以前也没有发现过。

这件怪事儿在宠物圈里越传越广…

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人们根据壳纹叫它“大理石纹螯虾”。德国柏林洪堡大学的动物学家格哈德·舒尔茨(Gerhard Scholtz)对此产生了好奇,他试着单独养了一只大理石纹螯虾。这只虾没有配偶,也没有藏着此前交配遗留下来的精囊,但它却不断产卵,并孵出后代。更为神奇的是,这些卵全部孵化出雌虾。后来,有人就建议把大理石纹螯虾命名为“处女螯虾”(Procambarus virginalis)。2003年,舒尔茨在《自然》上发表论文首次报告了这种螯虾。大理石纹螯虾长得快、长得大、生得多,短短几年就扩散到了欧亚非三大洲的野外。

直到2003年,

为了查明它的来历,舒尔茨检测了这种螯虾的线粒体基因,发现和原产美国的龙纹螯虾(Procambarus fallax)非常接近,仅仅证明可能是其近亲。可是,他依旧没有弄清楚,这只虾来源何处。

这种在宠物圈里发现的异常品种,引起了一部分科学家的注意…

德国遗传学家弗兰克·吕科(Frank Lyko)团队花5年时间给大理石纹螯虾彻底测了序,才总算解开历史的谜团。

他们对这种小龙虾进行了简单的研究,

原来,大理石纹螯虾是两只不同品种的龙纹螯虾私交产生的“孽子”。关键是这个“孽子”,在基因组合的时候出了点意外,形成独特的AA'B基因型。两只不同产地的美国龙纹螯虾A与B产下的后代按说应该是AB。而不知是卵细胞还是精细胞出错,不慎多保留了一组A染色体,于是AB结合后就诞生了一只AA'B三倍体螯虾。而产地不同导致A与B的基因差异较大,于是这只三倍体螯虾自带杂种优势,个大能生,能适应各种环境。

测序了一部分DNA片段,觉得这种小龙虾和分布于北美的龙纹螯虾(Procambarus fallax)有些相似…

很多动物也会杂交产生后代,比如驴和马产下骡子,但是骡子不能产生下一代,因此影响就在可控的范围内。而大理石纹螯虾可怕之处在于它还具备了孤雌繁殖功能,可以产下可孕的后代。

并没有进一步深入研究….

“女儿国”的喜与忧

一直到10年后,

问世间情为何物,直教人生死相许。在女儿国似乎不需要为爱困扰,岂不快哉?同样,孤雌生殖也有诸多的好处。对比两性生殖,美国生物学家木小衲博士(密苏里科技大学副教授)总结了孤雌生殖的好处:

另一位生物学家决定彻底研究这个被宠物圈传得神乎其神的物种时,

孤雌生殖可以节省能量。谈情说爱,浪漫是浪漫,可是废时、烧钱。而孤雌生殖,就可以省下谈情说爱能量。

他发现,情况已经不对了!!

无性生殖可以减少交配中被捕食物的几率。许多动物交配中,疏于对天敌的防范,增加被捕杀的几率。也就是裴多菲所谓的“生命诚可贵,爱情价更高。”

这种小龙虾的繁殖速度堪比《星球大战:克隆人战争》的场景,

交配行为会增加感染疾病的机会,很多微生物会随之而入。诸如人类的艾滋病,梅毒,而孤雌生殖就没有这个烦恼。

Lyko博士形容到:

生得多,快速占领地盘。孤雌生殖可以保证了种群中个体数量的快速增加,更快速占领新的栖息地。如果所有的条件都相同,那么孤雌的后代数量会比有性生殖多。

“人们带回一只小龙虾养,一年之后就成了几百只!!”

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而由于小龙虾繁殖实在太快,

既然无性生殖有如此巨大的好处,为什么还要搞出这么多痴男怨女?

很多人把繁殖出来的多余小龙虾都倒到湖里…

凡事有利就有弊!孤雌生殖有诸多优点,却存在两大缺点:

在自然环境中,这种小龙虾根本不需要刻意呵护,

1.缺少基因多样性。物种繁衍如投资,不能把鸡蛋都放在一个篮子里。所谓治世求稳,乱世求变。孤雌生殖,基因缺少多样性,赶上了盛世可以大赚一笔。相反,如果生在“乱世”,缺少变通可能导致全军覆没。越乱的环境,越需要有基因多样性,因为你不知道哪种基因是适合环境的,所以各种可能性都得试一试。有性生殖能够增加基因的多样性,父母的基因在孩子身上重新组合,互通有无,取长补短,有利于后代繁殖生存。

它们的生存能力也是无比强大,Lyko博士说:

2.孤雌生殖有害突变可能会不断累积,直致积重难返,产生所谓的“穆勒棘轮效应(Muller's ratchet)”。

“它们什么都吃,腐烂的树叶,蜗牛或者鱼卵,小鱼和小昆虫”

所以,很多孤雌生殖的物种是两手抓策略:当环境比较好的时候,进行孤雌生殖。环境好且稳定,对基因多样性的要求就要低。如果环境变得险恶了,那么下一代就进行有性生殖了。

凭着顽强的生命力和惊人的速度扩张….

最后灌鸡汤一勺,孤雌生殖验证了两句话:

从一个湖泊迁移到另一个湖泊,

第一,没有男性,照样生娃;

从一条溪流扩张到另一条溪流….

第二,治世求稳,乱世求变。

并且,除了数量呈几何级数疯狂增长,它们分布的地域也越来越广,从德国到捷克,匈牙利,克罗地亚,之后是日本,马达加斯加….

参考文献:

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[1]Booth, W., Johnson, D. H., Moore, S., Schal, C., & Vargo, E. L. . Evidence for viable, non-clonal but fatherless Boa constrictors. Biology Letters, 7, 253-256.

为了彻底揭开这背后的秘密,

[2]Gutekunst, J., Andriantsoa, R., Falckenhayn, C., Hanna, K., Stein, W., Rasamy, J., & Lyko, F. . Clonal genome evolution and rapid invasive spread of the marbled crayfish.Nature ecology & evolution, 1.

Lyko博士从欧洲的各个地方抓了16只这种小龙虾来研究….

[3]Katoh, K., Iwasaki, M., Hosono, S., Yoritsune, A., Ochiai, M., Mizunami, M., & Nishino, H. . Group-housed females promote production of asexual ootheca in American cockroaches. Zoological letters, 3, 3.

他和同事们决定给这些小龙虾进行完整的基因组测序,希望能够从基因的角度,来探究小龙虾的身上隐藏的秘密…

[4]Scholtz, G., Braband, A., Tolley, L., Reimann, A., Mittmann, B., Lukhaup, C., ... & Vogt, G. . Ecology: Parthenogenesis in an outsider crayfish.Nature,421, 806.

基因测序的结果,

(作者/动物所 赵序茅)

让科学家们大吃一惊…

测序后发现,这16只不同地方抓来的小龙虾,

它们的基因组几乎一模一样!!!

甚至可以说,他们几乎都是从同一个母体复制出来的,基因层面上来说,它们是同一只小龙虾!!

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Lyko博士和同事们从这个结果回溯分析,他们认为,产生这样一只“克隆虾”帝国…

最大的可能是,两种不同的龙纹螯虾交配导致变异而成的….

科学家们勾勒出一个北美的龙纹螯虾进化出克隆繁殖能力的故事….

这是一个类似于死侍诞生的故事….

动物世界里的,的小龙虾。某一天,

来自全球不同地区的两只龙纹敖虾交配产生了后代,

其中一只虾因为自身变异,产生了异常的性细胞,变异的性细胞中竟然包含了两套染色体!!

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大家都知道,

大多数有性繁殖动物只有两组染色体….

一组来自父本,一组来自母本…

用人类举例,

来自父本的染色体是X或者Y,

来自母本的染色体是X染色体…

对大部分鸟类来说,

鸟类的性别由性染色体Z和W所决定….

来自父本的染色体是Z,

来自母本的染色体是Z或者W,

总之,都是两条…

而这只雌性龙纹螯虾父母的其中一方提供的性细胞因为变异,让这只虾的性细胞加入了第三套完整的染色体…

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就这样,

这只生出来的雌性龙纹虾的细胞里便有了三套染色体….

之后,

在没有和雄性龙纹虾交配的情况下,它便能够产大量的卵,

而这些卵全都能孕育出了龙纹鳌虾,

而且,和母亲一样,这些后代龙纹鳌虾也都是雌性的,也都能进行无性繁殖….

最重要的,

它们和母亲一模一样!!(因为是自我克隆的同一套基因)

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去年12月,Lyko博士和同事们经过长达5年的研究论证,

正式宣布这种“大理石纹螯虾”为一个独立的新品种,命名为美洲龙纹鳌虾(Procambarus Virginalis)….

前两天,他们将这一研究成果的论文发表了出来,

美洲龙纹鳌虾被誉为甲壳纲动物里唯一一个无性繁殖的品种,所有的个体都来自于25年前那一只变异的小龙虾!!

一只小龙虾,变异出了克隆繁殖的能力,25年来已惊人的速度繁殖,竟然从一个个体繁衍成为了一个新品种!!

想像一下,以美洲龙纹鳌虾现有的扩张步伐,10年之后,马达加斯加,印度,欧洲,不同地方的人们抓到了一只美洲龙纹鳌虾,发现它们都长得一模一样的,从外到内都是一模一样!!

而这个年轻的新品种,

也有助于人们更深入探讨研究动物王国的另一大奥秘:性…

为什么这么多动物都是有性繁殖的?

目前,地球上只有10000多种生物是无性克隆繁殖的…

许多研究结果都认为,

无性繁殖的生物之所以比较稀少,是因为它们在历史上存在的时间都不会太久….

美国南阿肯色州大学的Abraham Tucker博士和他同事们,对11种无性繁殖水蚤的研究表明,他们的基因只在1250年前有过进化(1250年在生物上进化史非常短暂,生物进化的时间尺度可长达长千万甚至上亿年)….

不管怎样,通过美洲龙纹鳌虾的例子可以看到,无性繁殖在某些方面有明显优势….

Tucker博士认为,无性繁殖提供了一种迅速而强大的繁殖能力,能让物种在短期内达到相当可观的种群数量…

“这是一种非常好的短期策略,有利于这个物种短时间内扩大种群数量….”

不过,

长远来看,有性繁殖的优势依然无可比拟,例如,有性繁殖能为生物提供必要的进化,父体母体双方不同的基因组合导致的个体进化,成为生物应对疾病的有效机制….

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对于美洲龙纹螯虾这个“克隆虾帝国”种群的未来,

Lyko博士表示有待继续观察和探讨,

“或许它们以这样的方式会存在10万年,10万年对我个人来说是无比漫长,但在生物进化的时间轨迹上,那只是一眨眼….或许,它们最终会发生改变….”

无论怎样,

一个庞大“克隆虾”帝国就生活在人们身边,

依然值得全世界惊叹…

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