毒液是自然界最强大的适应性之一。例如，地理芋螺在蜇刺时仅注入约十分之一毫克的毒液，然而，这足以在不到一小时内杀死一个人。这些化学混合物包含一些已知的最有效的化合物，它们可怕的力量自历史黎明以来就令人敬畏。然而，直到现代遗传学的进步，科学家们才能够研究编码如此强效毒素的基因是如何产生的，从而一窥分子水平进化的运作方式。从这些研究中得出了当前关于毒液基因如何通过酶、肽和其他蛋白质的基因的偶然复制和突变而进化的经典模型。
但是，最近发表在《当代生物学》上的新发现挑战了这一模型，发现寄生蜂物种的大多数毒素基因实际上是来自其他生理角色的“兼职”。一个更令人兴奋的含义是，如果这一发现与其他化合物（而非毒液）相关，那么它可能成为自然界用来快速开发其他进化解决方案的途径。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
“我研究寄生蜂已经很长时间了，”罗切斯特大学生物学教授杰克·沃伦评论道。他对这些动物的着迷之处在于它们特殊的毒液，这些毒液使黄蜂成为生理操控大师。寄生蜂是一个庞大的群体，包含 10 万到 60 万个物种，它们在幼虫期是寄生的，生活在宿主体内或经常在其体内，并将宿主活活吃掉。作为自由生活的成虫，它们必须找到并制服合适的生物来作为其幼体的宿主，它们借助改变行为的毒液来做到这一点。例如，翡翠蟑螂黄蜂将其强大的目标——体型是其数倍的蟑螂——通过操纵动物的大脑化学物质，转变为黄蜂饥饿后代的顺从的食物。《Glyptapanteles》黄蜂更进一步，将其毛虫祭品变成僵尸保镖，以保护刚刚从毛虫组织中吃出来的幼蜂。另一种黄蜂，Reclinervellus nielseni，迫使其蜘蛛受害者将其网变成坚固的巢穴，这些巢穴将在蜘蛛死亡后继续保护黄蜂幼虫。
沃伦解释说：“寄生蜂的毒液与大多数已研究过的有毒动物的毒液截然不同，因为它们进化为操纵新陈代谢”，而不是直接杀死。他和他的实验室的两名博士后研究员艾伦·O·马丁森和姆里纳里尼（现就职于新加坡国立大学）对了解寄生蜂毒液中毒素的多样性以及这些毒素如何进化很感兴趣。他们和他们的同事首先组装了几个密切相关的黄蜂物种的基因组，他们发现了一些惊人的东西：即使是黄蜂中的近亲，它们的毒液基因也仅共享约 30% 到 40%。这个出乎意料的低数字表明，新物种的进化伴随着毒液基因的快速更替，旧基因被遗弃，而具有新毒液功能的新基因突然出现。“我们的下一个问题是，好吧，发生了什么？”沃伦说。“这些被拾取的基因，它们来自哪里？这让我们深入探讨了一个广泛的问题：新基因的功能是如何进化的？”
主要基于对蛇、蜘蛛和其他对我们自身构成危险的物种的研究，人们认为大多数毒液基因是通过基因复制机制，然后进行突变和重新利用（科学家称之为新功能化）而产生的。该过程始于具有潜在毒性功能的分子（如蛋白质切割酶）的基因意外复制，通常发生在卵细胞和精子形成过程中。额外的副本摆脱了执行原始基因生物学职责的负担，可以通过随机突变积累变化。这些变化可能使重复基因或其蛋白质变得毫无价值，并且可能会消失。然而，有时，这些变化会以某种方式改变蛋白质，使其成为有用的毒素——瞧，一种毒液毒素就诞生了。
但是，当马丁森、姆里纳里尼、沃伦及其同事比较来自四种密切相关的寄生蜂物种的毒液蛋白和基因时，他们看到的并非如此。与其他有毒动物的研究形成鲜明对比的是，他们发现通过他们的遗传分析发现的 53 个最新招募的毒液基因中，几乎一半是单拷贝的，这意味着它们不是进化过程中修补过的其他基因的重复。事实上，只有不到 10% 的毒素基因显然是通过复制和突变产生的。
然后，该团队想了解这些单拷贝基因是如何从执行普通的、非毒液功能转变为充当毒素的。结果再次令人惊讶。“当我们刚开始做这件事时，我们实际上完全看错了，”沃伦说。“我们认为我们看到的是基因作为毒液的快速特化，以及它们其他功能的丧失。”但是，当他们观察黄蜂身体的哪些组织正在表达这些基因时，“我们发现事实并非如此。”
相反，沃伦将这些单拷贝基因的功能比作“兼职”赚外快，这些基因除了在身体其他地方的“日常工作”之外，还在毒液腺中承担“夜间工作”。这些基因在幼虫或成虫发育的各个阶段，在各种组织中都有一定程度的常规表达。毒液腺只是更丰富、更稳定地表达这些基因。因此，该基因的蛋白质——在黄蜂身体的其他地方具有良性生理功能——在毒液中达到了具有毒性特性的浓度。“这就是为什么很多都是表达进化，”沃伦解释说。“蛋白质变化不大。只是它的表达模式发生了变化，使其成为毒液。”
图片来源：露西·雷丁-伊坎达量子杂志
这种缺乏变化的情况也与人们对毒液基因的预期大相径庭。复制和突变模型隐含的假设是，毒素需要快速进化才能有效，因为许多有毒动物可能会与它们的毒素目标进行军备竞赛。如果毒液进化得不够快，那么它们旨在作用的捕食者或猎物将进化出一种对策，使毒性优势变得毫无意义。迄今为止，研究其他物种的生物学家已经看到毒液基因以惊人的速度进化：例如，芋螺使用的芋螺毒素已知会迅速突变。
但研究结果表明，黄蜂不需要毒液毒素基因中的突变来从一个宿主切换到另一个宿主，或跟上当前宿主的步伐。它们只需要能够快速地共同选择和丢弃用于制造毒液的基因。
研究结果开启了科学家们一直忽视毒素基因起源的主要途径的可能性。“这些发现提出了与其他有毒动物可能用来产生毒液毒素的过程相关的重要问题，”尼古拉斯·卡塞韦尔写道，他是利物浦热带医学院阿拉斯泰尔·里德毒液研究部门的高级讲师和惠康信托研究员，他在与《当代生物学》论文一起发表的总结报告中写道。“虽然基因复制和选择性剪接通常被认为是蛋白质新功能化的主要机制，但这项研究表明，共择过程应被重新评估为基因获得新功能的潜在重要方法。”
布莱恩·弗莱是昆士兰大学毒液进化实验室的负责人，他在发送给Quanta的电子邮件评论中大致同意这一观点。沃伦及其团队的工作是一篇“非常有趣的论文，它强化了我们对毒液进化了解得越多，我们就越意识到我们知之甚少。众所周知，寄生蜂具有非常奇怪的策略，这篇论文强化了它们是多么独特地不同。”他写道，共择是否更广泛地发生还需要确定。
班戈大学讲师沃尔夫冈·伍斯特承认：“我并没有特别想到它会成为毒液进化的可能机制。”他也不相信这种基因进化机制在其他有毒群体中很突出。“我怀疑它仍然会很不寻常，”他说。“正如作者指出的那样，寄生蜂毒液的作用方式比蛇、蜘蛛或芋螺等更知名的捕食性或防御性毒液更为微妙、更精细。”黄蜂毒液的这种独特的生态作用可以解释为什么这些动物如此严重地依赖于与其他有毒物种不同的基因进化机制。“长时间麻醉比杀死东西要困难得多，而且需要更多技巧——问问任何外科医生就知道了，”伍斯特说。
与伍斯特一样，沃伦认为共择在毒液基因中很少见的想法是“一个需要探索的假设”。尽管如此，他认为这种进化模式可能被低估了，因为其他研究很少比较进化上的近亲。“如果你观察彼此非常非常不同的物种，你可能会发现某些基因子集是共享的，而另一些则不是，但你并没有真正获得精细的图景。
“这个过程在蛇身上可能没有那么重要，”他说，但他指出，“在我们可以肯定地说之前，还需要对真正密切相关的蛇类物种进行更多工作。”
沃伦认为，基因兼职的作用可能不仅限于毒液。基因兼职仅仅通过表达的变化就可能发生，这可能仅由单个突变引起；它不需要复制和新功能化模型所暗示的随机改变和选择的迂回过程。因此，共择很可能是一种更快的适应机制。“对于环境变化非常快的物种，这种单基因共择过程可能相当重要。只是还没有对此进行太多研究，”他评论道。
“这是一种通用功能，还是仅在这些特殊器官中发生？”他问道。“我期待在未来几年解决这个问题，但我认为这将是一种相当广泛的机制，特别是当生物体受到快速选择时。”
“这篇论文再次很好地说明了生物学的乐趣之一，”伍斯特说。“就在你认为自己已经找到了动物完成某件事的一般规律时，又会冒出一些完全不同的东西。”
其使命是通过报道数学以及物理和生命科学的研究进展和趋势来增进公众对科学的理解。