非洲鳉鱼（图片来源：Rogelio Barajas and Xiaoai Zhao, CC BY-SA, via EurekAlert）

撰文 | 黄雨佳
审校 | 冬鸢

在非洲东南部稀树草原的林地，雨季总是十分短暂。这里每年有大约8个月的时间都十分干旱，只有雨季那瞬息万变的降水会形成一些临时的小水坑或者小溪。然而，1968年，科学家R.A.朱布（R. A. Rubb）竟然在如此干燥和不确定的环境中发现了一种神奇的鱼，名为非洲鳉鱼（Nothobranchius furzeri）。

鱼怎么能在临时的小水塘中持续繁育后代呢？原来，在漫长的演化中，非洲鳉鱼形成了一种与当地气候模式相适应的繁衍模式。它们的寿命十分短暂，只有4～6个月。为了在这些小水坑或小溪随时可能因干旱而消失之前繁衍后代，它们会在短短几周之内迅速发育至性成熟状态，然后每天产卵。

但即便如此争分夺秒，非洲鳉鱼的胚胎仍然可能遭遇危险的旱季。为了应对这种状况，非洲鳉鱼胚胎采用出了一种特殊的策略：等待。它们会附着在泥泞的土壤上，放慢胚胎发育的节奏（细胞分裂近乎停滞，新陈代谢高度减缓），等待下一个雨季的到来，然后继续孵化。这种胚胎发育暂停的现象名为“胚胎滞育”（embryonic diapause）。

非洲鳉鱼（图片来源：MaximeDebources, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons）

真正的高手

其实，非洲鳉鱼并非唯一拥有胚胎滞育能力的物种，袋鼠、小鼠、熊、狍和蝙蝠等动物也具有这样的能力。但是，与其他物种相比，非洲鳉鱼的胚胎滞育技艺可以说已经达到了炉火纯青的地步。

首先，非洲鳉鱼胚胎滞育的时间可以非常长，甚至比它们的寿命更长。由于雨季中形成的临时栖息地平均只会存在75天，这也就意味着它们的胚胎要在干旱中等待近10个月，远远超出了它们孵化后4～6个月的寿命。甚至，一些实验表明，在干燥条件下存储了3年的非洲鳉鱼胚胎，只要给予合适条件依然能成功孵化。这也就意味着，即便当地第二年的气候十分干旱，非洲鳉鱼的后代依然能坚强存活。

其次，相比于其他具有胚胎滞育能力的物种，非洲鳉鱼胚胎滞育的时期相对较晚，处于胚胎发育的中期。在非洲鳉鱼胚胎的发育过程中，一共有3个可以进入胚胎滞育状态的时期（分别为滞育期I、II和III）。大多数情况下，非洲鳉鱼的胚胎滞育都发生在滞育期II，此时胚胎中的许多器官已经形成（例如大脑和心脏）。目前，非洲鳉鱼也是人们唯一已知能在胚胎发育后期出现胚胎滞育现象的脊椎动物。

非洲鳉鱼（图片来源：German wikipedia user Ugau, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons）

最后，非洲鳉鱼的胚胎滞育过程十分灵活。除了能在3个不同的胚胎发育阶段进入滞育状态，非洲鳉鱼每个滞育期的时长都不固定，甚至每个滞育期都可能被跳过。非洲鳉鱼是否进入滞育期、进入哪个滞育期、滞育期持续多久，仿佛是一个随机的过程。因此，两只非洲鳉鱼可能有完全不同的胚胎发育路径。

例如，在同样的实验室条件下，哪怕是同一批非洲鳉鱼，其中某些可能跳过滞育期I（甚至跳过所有的滞育期），其中一些可能会经历7～15天的滞育期I，另一些的滞育期I则可能只有1～3天。在自然条件下，不同胚胎可能附着于泥土的不同区域，土壤的温度、含水量可能各不相同，因此非洲鳉鱼个体的发育路径也就更加大相径庭了。

背后的秘密

为什么非洲鳉鱼的胚胎能在干旱条件下存活这么久呢？过去几十年，科学家也对此十分着迷。他们发现，非洲鳉鱼的胚胎表面有一层特殊的蛋白质纤丝结构，有点类似淀粉样纤丝。这种蛋白质结构透水性极差，因此减少了胚胎在干旱条件下的水分流失。而且，在滞育期II，非洲鳉鱼的胚胎还表现出了超强的耐低氧环境能力。即便是在完全没有氧气的条件下，非洲鳉鱼胚胎也能存活约60天。

此外，非洲鳉鱼的胚胎在滞育期的生理过程也会作出发生相应改变。除细胞的耗氧量和细胞中的蛋白质合成活动极大减少外，非洲鳉鱼胚胎细胞通过有氧代谢产能的速率也极大降低，厌氧代谢相应增加。处于滞育期的胚胎线粒体会选择特定的代谢路径，尽量减少活性氧的产生，避免在长期的滞育期内给细胞带来氧化应激。

最近，科学家还试图从演化的角度寻找非洲鳉鱼胚胎滞育背后的基因起源。在近日发表于《细胞》（Cell）的一项研究中，科学家研究了非洲鳉鱼基因组中的种内同源基因（paralogs，又名旁系同源基因）。所谓“种内同源”，指的是新基因不是通过物种形成分离产生，而是在同一物种中由于基因复制产生的新基因。这种基因很可能会演化出与原来相关但全新的功能。

科学家发现，在非洲鳉鱼的基因组中，大多数基因至少有一个相对应的种内同源基因。神奇的是，非洲鳉鱼的许多种内同源基因对在不同时期表现出了完全相反的表达活性。例如，其中一个基因只在滞育期高表达，而相应的另一个基因则只在发育过程中高表达。

雄性非洲鳉鱼（图片来源：Rogelio Barajas and Xiaoai Zhao, CC BY-SA, via EurekAlert）

接下来，科学家想知道这些滞育期相关的种内同源基因的起源可以追溯至何时。令他们惊讶的是，尽管非洲鳉鱼的胚胎滞育特性在距今约1800万年前才出现，但胚胎滞育相关的基因却早在距今4.7亿年前就已经诞生。而且，不仅各类具有胚胎滞育现象的鳉鱼是如此，其他脊椎动物（如小鼠）中的相关种内同源基因的起源也十分古老。可见，在滞育期相关的演化方面，远古种内同源基因的特化和重新利用是一种常见的机制。

那么，非洲鳉鱼是如何在漫长的演化过程中开始重新利用这些古老基因的呢？经过进一步的研究，科学家发现，大多数这类古老的种内同源基因，直到最近1800万年才变得活跃表达（表现为调控区域的染色质可及），因此，应该有某些较近才发展出来的转录调节因子参与了这一过程。的确，科学家找到了3个转录因子，它们的结合位点只存在于有胚胎滞育现象的鳉鱼体内，而不存在于没有胚胎滞育现象的鳉鱼中。它们可能是非洲鳉鱼获得这种神奇能力的关键。

而在这些转录因子调控的基因中，许多都参与了脂质代谢，并且有无胚胎滞育现象的鳉鱼以及胚胎滞育前和在不同滞育期的非洲鳉鱼体内的脂质组的确显示出了明显的差异，特别是甘油磷脂和甘油三酯的组成明显不同。科学家猜测，含有超长链脂肪酸的甘油三酯可能是非洲鳉鱼胚胎滞育期长期储备的能量来源；而甘油磷脂则可能起到了抗氧化应激等方面起到了作用。

非洲鳉鱼不仅是一种具有神奇能力的生物。作为能在实验室繁殖的寿命最短的脊椎动物，科学家也看上了它在短时间内发育、成熟而后衰老的特性。相比于线虫、果蝇等无脊椎动物，非洲鳉鱼在衰老方面与人类有许多相似之处，因此，非洲鳉鱼如今已经成了用于研究衰老的经典动物模型。

许多重要的科学发现，正是来源于大自然中的神奇动物。

参考链接：
https://www.nature.com/articles/s41592-022-01631-y
https://journals.biologists.com/dev/article/144/18/3199/47979/The-enigma-of-embryonic-diapause
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00474-4
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/brv.12183
https://phys.org/news/2024-05-killifish-embryos-animation-survive-months.html
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128210994000018