一只巴布亚企鹅从水里出来。(图片来源:Keith Barnes/www.pittaconsulting.com)
从四英尺高的帝企鹅到一英尺长的小企鹅，这些独特的不会飞的鸟类已经入侵了从南极洲到赤道的栖息地，更不用说人们的心了。
对18种已被确认的企鹅的全基因组的比较，为我们提供了线索，让我们知道它们是如何在数千万年的时间里，在气候的冷暖变化中，取得这样的成功的——尽管不是它们的可爱之处。该组织还警告说，如今迅速变化的气候可能让他们承受不了太多。
”我们能够展示企鹅能够多元化,占据了非常不同的热环境中他们生活在今天,从9摄氏度(48 F)在澳大利亚和新西兰周围水域,负温度在南极洲和26度(华氏79度)在加拉帕戈斯群岛,“Rauri鲍伊说,综合生物学教授的加州大学伯克利分校,在脊椎动物学博物馆馆长(MVZ)伯克利分校。“但我们想要说明的是，企鹅已经花了数百万年的时间才能够占据如此多样化的栖息地，而海洋正在变暖，企鹅将无法足够快地适应变化的气候。”
研究人员得出结论，企鹅起源于澳大利亚和新西兰凉爽的沿海地区，而不是许多科学家认为的寒冷的南极洲，他们确定了大约2200万年前企鹅的起源。
一只好奇的跳岩企鹅。(图片来源:Keith Barnes/www.pittaconsulting.com)
尽管它们成功地在南半球广泛传播，但许多企鹅的数量现在正受到威胁。由于海冰融化，南极洲的帝企鹅繁殖地不得不重新安置，而去年南极大陆上出现了大批阿德利企鹅幼崽死亡。随着温暖的厄尔尼诺现象变得越来越普遍，加拉帕戈斯企鹅的数量正在减少。在新西兰，小企鹅和黄眼企鹅的数量必须用栅栏围起来，以保护它们免受野猫的掠夺，而非洲企鹅的数量随着非洲南部海域的变暖而急剧下降。
“我们看到，在数百万年的时间里，企鹅的多样性随着温度的升高而减少，但这是一个长期的规模，”圣地亚哥智利天主教大学的生态系统和环境副教授朱莉安娜·维安娜说。“现在，气候和环境的变化太快，一些物种无法对气候变化做出反应。”
Vianna与Bowie和其他同事共同撰写了一篇论文，描述了他们的发现，这篇论文将于本周在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)的网络版上发表。
企鹅是从哪里来的?
在这项研究中，维安娜、鲍伊和来自世界各地博物馆和大学的同事们收集了来自18个物种的22只企鹅的血液和组织样本，然后对它们的整个基因组进行了排序和分析，以绘制出企鹅在数千年里的运动和多样化的图表。
朱莉安娜在一群跳岩企鹅中间。(照片由Juliana Vianna提供)
他们的结论解决了几个长期存在的问题:特别是，企鹅起源于哪里——澳大利亚、新西兰海岸和附近的南太平洋岛屿——以及何时——2200万年前。基因证据表明，最大的两种企鹅——国王企鹅和帝企鹅的祖先很快就从其他企鹅中分离出来，分别迁移到亚南极和南极水域，据推测是为了利用丰富的食物资源。这一假设与有争议的假设是一致的，即帝王企鹅和王企鹅是所有其他企鹅谱系的姐妹群体，它们是Aptenodytes属中唯一的两个物种。
鲍伊说:“能够解决人们争论了很久的系统发育问题，这让人非常满意。”“辩论铰接在哪里,皇帝和王企鹅放在家谱,无论他们是内嵌套树接近其他血统的企鹅还是他们姐妹所有其他的企鹅,这就是我们的系统显示和其他一些先前的研究建议。这与丰富的企鹅化石历史相吻合。”
大约1200万年前，在南极洲和南美洲南端之间的德雷克海峡完全开放之后，其他企鹅种类多样化，在南部海洋中广泛分布。开幕式地怂恿clockwise-moving南极绕极流允许这些鸟游整个南太平洋洋流,填充寒冷的南极洲群岛和南美洲和非洲的温暖的沿海地区,在那里他们密集的海岸线和偏远岛屿寒冷、上升流、营养丰富的水。
今天,企鹅在澳大利亚和新西兰(兄弟,小和其他冠企鹅),南极洲(皇帝、阿德利gentoo和帽),热带南美洲西海岸(加拉帕戈斯群岛和洪堡),南美洲的南部海岸(麦哲伦和凤冠南部),南大西洋(麦哲伦通心粉),南非(非洲)和一些在南极洲(国王,gentoo和通心粉),印度洋群岛(东部跳岩企鹅)和亚热带地区(北部跳岩企鹅)。
这种蓝色小企鹅是18种已知物种中最小的。(图片来源:Keith Barnes/www.pittaconsulting.com)
利用最近发展起来的强大分析技术来分析人类与尼安德特人和丹尼索瓦人之间的历史相互作用，研究人员能够确定在它们的进化史中有几组企鹅进行过杂交。通过遗传物质的交换，企鹅可能拥有了共同的遗传特征，这些遗传特征使得企鹅在南大洋遇到的高温和盐度梯度上变得多样化。杂交最多的是跳岩企鹅和它们的近亲，在数百万年的时间里，它们至少经历了四次基因导入，或遗传信息的转移。
研究小组还确定了使企鹅能够在新的具有挑战性的环境中茁壮成长的基因适应，包括调节体温的基因的变化，这使它们能够适应零度以下的南极温度，以及赤道附近的热带温度;用于更深潜水的耗氧量;还有渗透调节，这样它们就可以在海水中生存而不需要淡水。
新的分析工具帮助研究人员推断出大约100万年前古代企鹅的数量。他们发现，在4万至7万年前的最后一次冰期，随着世界变冷，大多数企鹅物种的数量增加到了最大水平——许多物种更喜欢在冰雪上繁殖——还有一些物种在14万年前的上一个冰期数量激增。
至少在过去的100万年里，gentoo和Galapagos这两个物种的数量似乎一直在减少。
地球上最孤立的鸟类的DNA
Vianna在智利和南极洲开展了长期的企鹅研究项目，为了这项研究，她从这些地区的许多企鹅身上采集了血样。同事在法国、挪威、巴西、澳大利亚、美国和南非提供血液从一些偏远物种——挪威的同事提供了血液的帽带企鹅布维岛,例如,当Vianna和鲍伊获得血液样本在殖民地非洲企鹅在旧金山加州科学院。
王企鹅。(照片由Aurora Fernandez提供)
但有些物种很难定位。研究人员不得不依靠加州大学伯克利分校MVZ保存的黄眼企鹅标本的组织，而纽约的美国自然历史博物馆则从保存的直立冠企鹅和Fiordland企鹅身上获取组织。
每个基因组被Illumina散弹枪测序30次，产生的小片段——大约150个碱基对长的整个基因组。当时Vianna正在加州大学伯克利分校和Bowie一起休假，她煞费苦心地将每一个片段与之前测序过的参考基因组(帝企鹅的基因组)进行比对，作为一个支架。
鲍伊说:“有一个参考基因组就像用一个拼图盒的封面来组装一个拼图:你可以把你所有的超级小片段和那个参考基因组进行比对。”“我们对每一个企鹅基因组都这样做了。”
基因组比较告诉他们，企鹅出现于2100万至2200万年前，缩短了之前根据企鹅化石所确定的1000至4000万年的时间窗。
他们还反驳了去年发表的一篇论文，该论文认为，与帝企鹅关系密切的国王企鹅和帝企鹅是gentoo企鹅和阿德利企鹅的姐妹群。相反，他们发现帝企鹅和帝企鹅是所有其他企鹅的姐妹群体。
从基因上来说，皇家企鹅和通心粉企鹅没有什么区别。(图片来源:Keith Barnes/www.pittaconsulting.com)
维安娜和鲍伊现在有了300只企鹅的基因组序列，他们正在更深入地研究不同企鹅群体内部和群体之间的基因变异。他们最近发现了一个新的企鹅谱系，等待科学的描述。
“企鹅当然非常有魅力，”维安娜说。“但我希望这些研究也能带来更好的保护。”
这项工作得到了智利南极研究所、Fondecyt项目、GAB PIA CONICYT (ACT172065)和美国国家科学基金会(DEB-1441652)的支持。这篇论文的合著者包括加州大学伯克利分校的Ke Bi和Cynthia Wang-Claypool，以及智利天主教大学的Daly Noll。
相关信息
- 全基因组分析揭示了企鹅多样化的驱动因素
- Rauri Bowie的实验室网站
- Juliana Vianna的分子生物多样性实验室
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.berkeley.edu/2020/08/17/penguins-are-aussies-or-are-they-kiwis/