研究环境对动物进化的影响并非易事，因为大多数动物繁殖缓慢，行为复杂。然而，微生物学家有一个优势：细菌繁殖迅速，这使得它们成为研究进化的更容易的对象。

蛤蚌是海底不起眼的生物，也是海洋中种类最多的动物群之一，它们依靠共生细菌生存。德国不来梅马克斯·普朗克海洋微生物研究所的研究人员现在揭示了这些微小居民的进化历程。这项研究发表在《PLOSGenetics》杂志上。

面对巴拿马地峡关闭后急剧变化的环境，蛤蜊获得了新的代谢技能，以维持自身的生存。了解细菌的适应策略可以深入了解它们对具有挑战性的环境变化(例如由人类活动引起的变化)的潜在反应。

巴拿马地峡提供了一个自然实验

德国不来梅马克斯·普朗克海洋微生物研究所的莱蒂西亚·威尔金斯和她的团队在一个非常独特的场景中研究细菌的进化：巴拿马地峡。这片大陆连接北美洲和南美洲，从而将太平洋与加勒比海分隔开来，是观察“实时进化”的理想地点。

280万年前，地峡的闭合导致两岸的海洋环境发生重大变化。加勒比海一侧变得更暖、盐度更高、营养物质匮乏，而热带东太平洋则经历着温度变化、强烈潮汐和高营养水平。这些环境差异迫使海洋生物发展出不同的生存策略。

蛤蜊及其共生细菌：进化的伙伴

蛤蜊是生活在加勒比海和巴拿马地峡周围的太平洋水域的海洋双壳类动物。蛤蜊家族至少已有4亿年历史，栖息于各种各样的栖息地，从美丽的海滩到黑暗的深海。它们成功的秘诀在于：共生细菌生活在它们的鳃内，帮助它们满足营养需求，形成如此密切的关系，以至于这些蛤蜊如果没有它们的小伙伴就无法生存。

有趣的是，共生细菌似乎并不依赖亮藻。它们还可以自由地生活在沉积物中。这使得它们能够与其他细菌相互作用，并通过所谓的水平基因转移与它们交换遗传物质。这与它们快速的繁殖相结合，有助于它们快速适应环境。

“我们想了解这些共生细菌如何适应地峡两侧不同的环境条件，”IsidoraMorel-Letelier说道，她与BenedictYuen共同进行了这项研究，这是她博士论文的一部分。为了实现这一目标，该团队前往巴拿马收集了蛤蚌，并分析了它们鳃中共生细菌的DNA，以检测它们基因组的差异。

巴拿马地峡的发展。地峡将热带东太平洋与加勒比海分隔开来。它大约在280万年前关闭。图片来源：NatalieRenier

加勒比海和太平洋的适应性不同

莫雷尔-莱特利尔发现，地峡两侧的共生细菌应对挑战的方式截然不同：加勒比海地区的共生细菌能够固氮，而太平洋地区的共生细菌则缺乏这种能力。

“没有氮，生命就不可能存在。由于加勒比海的硝酸盐含量非常低(一种易于利用的氮形式)，细菌需要其他营养来源。它们的固氮能力可能使它们能够在那里生存。另一方面，太平洋共生体没有面临这个问题，因为那里的水中硝酸盐含量比加勒比海高出十倍，”莫雷尔-莱特利尔解释道。

此外，还有更多的遗传差异。不来梅的科学家发现了太平洋共生体中存在的独特基因，但在加勒比海共生体中却不存在。

例如，太平洋的共生生物有可能合成γ-聚谷氨酸，这是一种由细菌在营养受限期间产生的储存化合物，或电子转移黄素蛋白(ETF)脱氢酶，它是在低温和厌氧条件下产生的。

“这些基因可能有助于共生生物应对太平洋相对于加勒比海更为显著的营养、温度和氧气水平的季节性变化，”莫雷尔-莱特利尔说。

新的代谢能力揭示了独特的进化历程

马克斯·普朗克的科学家还想了解加勒比共生生物如何获得固氮基因。为此，他们将巴拿马地峡的共生生物基因组与世界各地的其他萤火虫共生生物基因组进行了比较。

“看起来它们的最后共同祖先不具备固氮能力。很可能固氮是一种近期特性，只有面对营养匮乏环境的共生体才具备这种特性，”Morel-Letelier解释道。

这一发现凸显了环境在塑造细菌进化过程中发挥的关键作用。“通过水平基因转移，lucinid共生菌可能从另一个共生菌谱系获得了固氮基因，”Morel-Letelier指出。

未来的研究应侧重于了解这些细菌和它们的透明宿主之间的共生关系。“了解细菌的新代谢能力(如固氮)是否有利于透明蛤在环境中生存的能力，以及蛤是否会主动选择更适合在它们体内生存的细菌候选者，将会非常有趣，”莫雷尔-莱特利尔说。

“这项研究提高了我们对细菌应对环境变化的能力的理解，这使我们认为细菌群落可能已经适应了人为变化，例如过剩营养物质从农田流入沿海水域，”研究小组负责人莱蒂西亚威尔金斯评论道。

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