云子若点漆，青椒 阅读原文 引子 什么是蛇 蛇的祖先大概率是啥样？ 基因的力量 蛇是从一个有腿的祖先那儿演化来的。 Campbell Biology- 脊椎动物（五） 腿演着演着就没了。其实没啥稀奇的，这样的事情还独立发生了不止一次（见上图紫色标记处）。此处隐藏着一个问题，见文末。 这么重要的东西，怎么能说没就没呢？其实动物界就是这么随心所欲。连体腔都能说没就没，说有就有。 历史的车轮——体腔（Coelom） 为什么要，是一个对着答案想问题的思路。如果抛开答案，你会发现这完全是一个开放性的问题，解决方案千千万。然而历史是唯一的。我们用形态、分子、生物学，各种各样的手段做系统发育，就是为了无限逼近这个唯一的历史。 那么问题来了，既然腿说没就没了，说有又可以有。为什么祖先就一定是个有腿的？ 要回答这个问题，首先要弄清楚的一点就是，什么是蛇。也就是说，当我们在说祖先时，我们说的是演化树上的哪一个结点？这个问题，并没有想象中那么容易回答。就好像我们都认识鸟，但如果算上恐龙，你真的知道什么是鸟吗？ 让我们从高级阶元的祖先说起。 爬行纲（reptiles）被认为是一个并系群，分为鳄形目、龟鳖目和有鳞目[1]。好在有鳞类（Squamata）是单系的[2]，全球包括一万多种[3]。中国截至到 2015 年，统计有 23 科 113 属 428 种[1]。传统认为可以分为鬣蜥–硬舌类 (Iguania-Scleroglossa) 、壁虎类 (Gekkota) 、石龙子类 (Scincomorpha) 、蛇蜥类 (Anguimorpha) 、蚓蜥类 (Amphisbaenia) 、蜥蜴类 (Lacertoidea) 、蛇类 (Serpentes) 和其他总科 。 来源如图。有鳞目科级以上分类阶元存在争议，相关类群的阶元会随研究方法不同在亚目、下目和总科间变动 如图可见，有鳞目对于腿的态度，是多么的任性。此处郑重感谢茜茜的评论！ 接下来，我们就只需要关心蛇亚目（Serpentes）。毕竟题主问的是蛇。也就是说图 1 中那个叫脆蛇的，已经不在我们的讨论范围之内了。 退场之前的福利：脆蛇蜥属（Dopasia）属于有鳞目（Squamata）蜥蜴亚目（Lacertilia）蛇蜥科（Anguidae）。我国分布有 3 种[1]。 所以蛇到底是什么，需要一个更细节的演化树。 From: The ecological origins of snakes as revealed by skull evolution 上图中绿色字体和框框内的盲蛇（Typhlopidae），实在太像蚯蚓。真的不想把它视为蛇，但它妥妥的属于蛇亚目盲蛇下目（Scolecophidia），除了它以外的所有现生蛇，被认为是真蛇下目（Alethinophidia）。如果我们就把这两个现生类群看作蛇的话，那么它们的最近共同祖先（the most recent common ancestor, MRCA）应该是圈圈 3。我们想知道它到底有没有腿。 https://www.allhistory.com/ 但是，如果加上化石类群的话，其实我们应该讨论圈圈 2，它到底有没有腿。正如你已经看到的那样，圈圈 2 的一个分支是沧龙（Mosasauridae），这个海洋中的霸主，是有腿的。 就算我们硬是不愿意搭理圈圈 2，坚持只关心圈圈 3。我们怎么才能得到一个确切的答案，确认圈圈 3 有或者没有腿呢？ 这需要我们跳出物理学的简单归纳思路，直面生物学的复杂性。（请允许我在这里插播一则广告，因为这本书里用物理学家眼中的奶牛，来说明物理学思维和生物学思维的差别，实在太经典了） From: The ecological origins of snakes as revealed by skull evolution 直面复杂性。也就是说，我们面对的不是一个祖先，而是一群祖先，以及多种可能的祖先状态。正如上图绘制的连续谱，展示了祖先圈圈 2 演化成祖先圈圈 3 的这一过程。彩色的点代表着不同的生态位，红色方形和圆形代表不同的类群。而字母 a 到 f 代表着身体的各种形状：a、一个典型的蜥蜴状身体；b、前肢减少；C，缩小的前肢和细长的身体；D，没有前肢，后肢缩小，身体细长；E，没有四肢，身体细长；F，无腿的蛇形身体[4]。 至少从上图来看，祖先圈圈 3 大概率是一个没有四肢的蛇。 蛇的身体到底是怎么变来变去的呢？Hox 基因是如何发挥作用的呢？ 不得不说，生活在当下，真的挺幸福。 一群又一群科学家，不仅将热乎乎的知识奉上，还顺便把枯燥艰涩的文字，美化成你我都愿意看到的样子[5]。 Progressive Loss of Function in a Limb Enhancer during Snake Evolution. Kvon et al., 2016. Cell. 633-642. 2016 年科学家们锁定了一个调控序列，并对这一段序列进行了分子和功能演化的研究，探讨这段序列在肢的丢失过程中可能扮演着怎样的角色。 ZRS（Zone of Regulatory Sequence，也叫 MFCS1），一个和肢体相关的增强子（Limb Enhancer），特异性增强 Shh 基因（Sonic hedgehog）。在肢体发育过程中，这个增强子在肢芽中表现活跃。如果它出现突变，就可能产生畸性。 可想而知，这段序列得有多么保守。正如下图灰色的乐高插板（比对序列），在人、牛、海豚等不少动物中，这段序列都一模一样。而位于下方的蛇（名字被高光加持的 6 条序列），肉眼可见的出现了白色斑点，也就是碱基变化了。还有条蛇甚至，空了。 怎么做？ 首先看序列变化，并用数学的语言来描述这种变化。研究者们对六个蛇的基因组草图进行了分析。这六种蛇，分别代表了不同的体型，有残留带骨的（vestigial pelvic girdle），后肢不完全的（rudimentary hindlimb），如上图蓝色框框内。也有四种完全没有肢骨的蛇。树图上展示了演化速度是如何在没有肢的蛇（紫色加持）中，变成了高速的火红色。说明，不仅不一样，而且是非常不一样。 接下来要说明这些变化真的会有用。团队在大自然实验室中，找了 16 种动物，锁定它们的这一段直系同源基因（orthologs）。发现大多都稳定的和肢体表达有联系，但在蛇当中（蓝色和紫色竖线对应的种类），多少都出现了异常，看来真的和功能相关。 实验验证阶段：敲掉它，再装上它。看看是不是真的像我们在大自然实验室中看到的那样，序列的变化对应功能的改变。结果是：是。 完美。 那么科学家是怎么在这么多基因中锁定 ZRS 的？感觉像泄题了，有没有。 因为前人，成功过，失败过的，那些研究[6][7][8][9][10][11][12]（等等等等，此处省略至少一万字）。 综上，科学家推测，蛇在从有一点残留的后肢向完全没有后肢的变化过程中，有一个增强子逐渐失去了其该有的功能。他们确定了导致这一功能性退化的核苷酸变异区域。接着在小鼠模型上，验证这一小段变化真的和后肢的有无是相关的。 至此，人类的知识域，又戳出去一点点。 值此毕业之际，谨以此文献给天临三年的学子们。科研确实需要“过”，需要不断地超过人类认知的局限，还需要不断地超过自己。 彩蛋 爬行动物简史！ 阅读原文
