冰川藻类如何挑战我们对进化的思考方式

了解这些藻类有助于我们了解它们在塑造脆弱生态系统中的作用。

亚历山大·鲍尔斯，布里斯托大学

客座作者

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人们常常低估微小的生物。但微小的藻类细胞不仅进化到能够在地球上最极端的栖息地之一——冰川中繁衍生息，而且还在塑造它们。

我们与来自英国和加拿大的科学家团队一起，追踪了紫藻数亿年前的进化，我们的发现挑战了关于进化如何运作的关键观点。尽管这些藻类很小，但它们对它们赖以生存的冰川产生了巨大的影响。

冰川是地球上变化最快的生态系统之一。在夏季融化季节，当冰川上形成液态水时，紫色藻类的大量繁殖使冰表面变暗，加速了融化速度。这种对冰川的令人着迷的适应需要微观藻类来控制它们的生长和光合作用。这必须与极端冰融化、温度和光照的耐受性相平衡。

我们的研究发表在《新植物学家》杂志上，揭示了它们如何以及何时首次进化出适应这些极端环境的能力。我们对冰川藻Ancylonemanordenskiöldii的基因组数据进行了测序和分析。我们的研究结果表明，冰川藻类的紫色（起到防晒霜的作用）是由参与色素生成的新基因产生的。

这种色素紫没食子素可保护藻类细胞免受紫外线 (UV) 和可见光的损害。它还与对低温和干燥的耐受性有关，这是冰川环境的特征。我们的遗传分析表明，这种紫色色素的进化可能对于冰川藻类的多种适应至关重要。

我们还发现了新的基因，有助于提高藻类对紫外线和可见光的耐受性，这是生活在明亮、暴露的环境中的重要适应能力。有趣的是，这些与增加光感以及改善阳光损伤修复机制有关。这项工作揭示了藻类如何适应当今的冰川生活。

接下来，我们想了解这种适应在地球的深层历史中何时进化。

冰川藻类的演化

地球经历了多次寒冷和温暖气候的波动。在数千年甚至数百万年的时间里，全球气候在冰期（寒冷）到间冰期（温暖）之间缓慢变化。

最引人注目的寒冷时期之一是成冰纪，可追溯到 720-6.35 亿年前，当时地球几乎完全被冰雪覆盖。这些冰川作用如此广泛，有时被科学家称为“雪球地球”。

科学家认为这些条件与我们今天在地球上看到的冰川和冰盖相似。所以我们想知道这个时期是否是驱动冰川藻类进化的力量？

在分析遗传数据和化石藻类后，我们估计冰川藻类在大约 520-4.55 亿年前进化。这表明冰川藻类的进化与成冰纪的雪球地球环境无关。

由于冰川藻类的起源晚于成冰纪，因此最近的冰川期必定是藻类适应冰川的驱动力。科学家认为，直到六千万年前，地球上一直存在冰川环境。

然而，我们确实确定了冰川藻类和陆地植物的共同祖先是在成冰纪前后进化的。

2024 年 2 月，我们之前的分析表明这种古老的藻类是多细胞的。含有冰川藻类的群体失去了创造复杂多细胞形式的能力，可能是为了应对成冰期的极端环境压力。

我们证明这些藻类并没有变得更加复杂，而是变得简单并且持续至今。这是通过降低复杂性进行进化的一个例子。它还与公认的“进步进程”假说相矛盾，该假说认为生物体进化成其祖先的日益复杂的版本。

我们的工作表明，多细胞性的丧失伴随着遗传多样性的巨大丧失。这些丢失的基因主要与多细胞发育有关。这是它们的简单形态从更复杂的祖先进化而来的标志。

在过去的 7 亿年里，这些藻类因体型微小、免受寒冷和阳光照射而得以生存。这些适应为它们今天在冰川上的生活做好了准备。

这种适应是如此专业化，以至于只有少数藻类进化到可以在冰川上生活。这与生活在雪上的数百种藻类形成鲜明对比。尽管如此，当冰川表面形成液态水时，冰川藻类会对广阔的冰原产生巨大的影响。 2016 年，格陵兰冰盖上的藻类生长导致径流增加 4,400-6,0 亿吨。

了解这些藻类有助于我们了解它们在塑造脆弱生态系统中的作用。

我们的研究深入了解了冰川藻类从远古到现在的进化历程。当我们面临不断变化的气候时，了解这些微生物是预测地球冰冷环境未来的关键。

Alexander Bowles，布里斯托大学博士后研究员

本文根据知识共享许可从 The Conversation 重新发布。阅读原文。