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在俄勒冈沙丘国家 recreation Area 附近的太平洋海岸公路 200 英里标志不远处，有一个不起眼的水坑，在一些生物学界被称为“黏糊糊的木头池塘”。正是在这个不起眼的池塘里，2000 年捕获了一只被称为“天选之子”的水蚤 (蚤状溞)，并成为第一个基因组被测序的甲壳动物。
对“天选之子”基因组的分析表明，这种微小的甲壳动物包含迄今为止任何已测序动物中最多的基因。它还有潜力加速科学家们对合成化学物质对环境和人类健康影响的理解。
世界上最常见的小型淡水食性生物——吞食世界各地湖泊和池塘中的藻类——水蚤也是鱼类饮食中的主要食物，是食物网中的关键环节。这种肉眼几乎看不见的微小动物长期以来一直是一种非常宝贵的水生指示物种，并被全球各机构用于评估淡水系统的健康状况。
作为一种研究充分的物种，水蚤有望成为深入研究环境基因组学的关键模式生物。更好地理解基因与环境之间的相互作用也可能减少化学物质对人类健康的不利影响。
序列详情于 2 月 3 日在线发表在《科学》杂志上，结果表明，在迄今为止已测序的所有节肢动物中，水蚤与人类共享的基因最多。印第安纳大学布卢明顿分校基因组学和生物信息学中心的 约翰·科尔伯恩 说，这种基因重叠意味着这种哨兵物种最终也可能成为“人类的替代品，以展示化学物质对共享途径的影响”，他是这篇新论文的主要作者。“基因组的大部分反映了动物如何进化以应对环境压力。”
先前对水蚤的基因快照已经暗示了它的总体组成。但加州大学伯克利分校营养科学和毒理学组的 克里斯·沃尔普 说，全基因组序列提供了“关于基因功能更好的信息，并使我们能够更全面地了解有毒物质的影响”，他没有参与这项新研究。“它确实增强了您理解环境中正在发生的事情的能力。”
浑浊的生物学
水生水蚤以希腊神话中的仙女达芙妮（她拒绝阿波罗神的求爱，在奥维德的叙述中被变成了树）命名，它具有轻柔分支的触角，通常在没有雄性的情况下繁殖，通过将二倍体基因组（一套完整的染色体）传递给后代。这种一致性创造了克隆系，使它们成为实验室研究的优秀候选者。
但科尔伯恩说，就像它们经常生活的水一样，这些甲壳动物“具有非常浑浊的生物学”。然而，他指出，这种浑浊性已被证明是基因研究的沃土。“基因组比我们之前认为的更具可塑性，对环境的反应也更灵敏。”
研究人员致力于对水蚤进行测序——作为 水蚤基因组学联盟 的一部分——他们预计会发现一个大小与 果蝇 相当的基因组，果蝇有 14,000 个基因。因此，他们震惊地发现蚤状溞基因组包含至少 30,907 个基因——比 人类基因组 多近 8,000 个。其中约 36% 的基因以前未在任何其他生物体中发现。科尔伯恩说，研究人员发现，这些不熟悉的基因特征并非进化上的无用之物，相反，它们“往往是对水蚤生态最敏感的基因”。
并非所有甲壳动物的基因在任何给定时间都是活跃的。相反，其中很大一部分基因会随着水蚤环境的变化而开启或关闭。科尔伯恩说，它们“或多或少是环境特异性的”。尽管它们“编码相同的蛋白质，但它们的表达方式因您让动物暴露于何种环境压力而异。” 找到使动物能够耐受外部压力源（无论是化学物质还是紫外线辐射）的基因，可能有助于研究人员在人类中寻找平行的途径。
复杂性建模
研究人员发现，水蚤基因组包含如此多基因的原因之一是，该物种的基因复制发生率远高于其他常见物种——比人类高约 30%，是果蝇的约三倍。
科尔伯恩说：“拥有如此多的基因显然具有选择优势。” “我们首次发现，新复制的基因可以非常非常迅速地获得新的功能。” 在其他物种中，重复基因往往会变得有害或不相关，因此很快就会被淘汰。水蚤基因会停留更长时间，这表明它们通常会被很好地利用——并且很快——对环境因素做出反应。
过去，人们在实验室中培育二倍体水蚤，以减少外来的遗传物质，这些物质在野外对于它们主要的无性繁殖策略是必需的。但对于那些希望研究基因-环境相互作用的研究人员来说，这种人工近亲繁殖并不理想。因此，研究项目的成员发起了一项横跨大陆的搜索，以寻找自然近亲繁殖的样本。他们在“天选之子”中发现的正是如此——一种水蚤，科尔伯恩说，“自然界已经清除了所有不良等位基因”，简化了基因组，而没有失去其生态适应性。
这只小节肢动物及其后代获得了如此响亮的绰号，因为另一条“黏糊糊的木头池塘”候选品系——现在被称为“被拒之子”——正在被搁置。科尔伯恩回忆说，在初步分析中，发现“被拒之子”的基因组是相当杂合的（具有更多分化的等位基因）。然而，它的巨大差异确实允许与“天选之子”进行一些有用的比较。“实际上，由于‘被拒之子’，完成了一些伟大的科学研究，尽管它在社区中引起了相当大的恐慌，”他说。
尽管蚤状溞是最常见的物种，但在标准化的水质测试中，通常会调用其他物种，如大型溞和杜比亚蚤。沃尔普说，大型溞基因组序列目前正在进行中，他在他的研究中使用该物种，并且是更大的联盟的一部分。对于他的研究，蚤状溞基因组“对于能够比较并帮助我们理解大型溞遗传学中正在发生的事情来说，是一笔不可思议的财富”。
超越死亡
随着其庞大的基因组现在被解码，水蚤可能很快会在环境评估中发挥更重要的作用——超越溶解氧或过量氯的简单测试。
在成千上万种人造化学物质中，只有一小部分经过了安全性测试，而且它们通常只作为孤立的化合物进行测试——而不是像它们经常在环境中出现的那样以更真实的混合物形式进行测试。“我们有太多该死的化学物质，”沃尔普说。“我们担心它们对人类和生态系统的影响。”
但科尔伯恩说，由于还有很多分析工作要做，“我们目前筛选这些化学物质危险性的方法根本无法赶上。” 如果水蚤被证明是研究化学物质和环境对基因影响的可靠模式生物，它们可能会实现更高效的高通量化学物质评估过程。
相对较新的“生态毒理基因组学”领域——沃尔普承认“不太容易说出口”——正在努力赶上更多基于生物学的遗传学。但是，有了水蚤的基因组序列，他希望这将使该领域能够赶上。“我们有小鼠和人类的序列——我们可以以非常强大的方式使用基因组学——但不幸的是，这在这些生态指示物种中已经落后了。”
科尔伯恩说，将基因组方法引入毒理学研究有望在该领域创造更“机制性的理解”。沃尔普解释说，毒理学一直依赖于“杀死并计数”的方法，其中死亡是化学物质剂量评估的主要终点：“我们以前问的问题是：它们死了吗？” 他说。随着研究人员现在开始能够找出特定的基因通路，“这可能有助于我们考虑我们以前没有考虑过的终点，”沃尔普补充说，例如化学物质如何对生殖或免疫系统产生更细微的影响。
水蚤当然不是研究化学物质对人类生物学潜在影响的完美工具，它们作为筛选生物的用途必须通过进一步的研究来验证。“但令人兴奋的是，它们之间存在相似之处，”沃尔普说。“谁会想到一只小螃蟹会和人类如此相似呢？”