科学家展示了极端环境中动物视觉的适应性

多伦多大学(U of T)的细胞生物学家发现，即使温度发生极端变化，动物也能适应它们的能力。研究人员深入研究了生活在安第斯山脉海拔近3公里的冷水溪中的鲶鱼的眼睛，以了解如何。他们的研究结果发表于今天的“美国国家科学院院刊”。

当视网膜中的几种化学蛋白被激活时，视觉开始。它是一个关键的感官系统，使生物体能够适应他们的环境，就像虎鲸如何提高他们在主要是蓝色的光线下看水下的能力。在研究冷温对安第斯鲶鱼栖息地的影响时，由T进化生物学家Belinda Chang领导的研究小组研究了一种叫做视紫红质的蛋白质在昏暗的光线下的作用。

他们发现视紫红质也具有另一种功能：它可以加速生活在最高 - 最寒冷 - 海拔的鱼类中的视觉速度。

“当我们考虑对视觉系统进行调整时，光线和颜色通常是首先浮现在脑海中的变量，”在T of U的生态学与进化生物学和细胞与系统生物学系教授Chang说。“这些结果为复杂的生物过程如何适应极端环境的问题增加一个新的维度。“

视力对这些夜行动物的生存至关重要。在高海拔鱼类中，涉及蛋白质的化学反应发生的速率发生了变化。为了补偿环境温度的降低，动能速率加快。

科学家解释说，这一发现支持了代谢酶的既定趋势，代谢酶也显示出响应寒冷环境的加速动力学速率。在温血动物的人类中，身体必须通过增加新陈代谢和动态运动(如颤抖)产生热量来弥补极度寒冷。

“寒冷的气温会降低生化反应的速度，”主要作者Gianni Castiglione说道，他是博士前学生，现任Chang研究团队的博士后研究员。“几十年来我们都知道温度会影响视力，但我们从未完全了解进化是否或如何在分子水平上对此进行调整。”

该团队的假设是，通过使用分析动物DNA模式的计算机模型来追踪进化指纹，他们可以理解冷适应如何在复杂的感官蛋白如视紫红质中进行。

“我们发现自然选择的目标是控制动力学速率的两个蛋白质区段。这表明进化已利用视紫红质生物化学作为改变其在高海拔地区的功能的一种方式，”Castiglione说。

为了验证这一假设，研究人员操纵了多伦多斯卡伯勒大学生物科学系Nathan Lujan先前收集的几种鱼类的DNA。他们在视紫红质蛋白中产生了突变，交换了低海拔标本中存在的氨基酸，并在高海拔品种中发现了罕见的变种。这就是他们如何证实高海拔突变虽然对视紫红质的光和颜色相关功能的影响有限，但显着加速了决定冷血动物视觉表现的蛋白质的动力学特性。

“从本质上讲，我们正在调查科学家通常不研究的非模式生物，这可能是解决进化生物学中重要问题的有效方法，”共同作者和博士候选人Frances Hauser说。“我们的研究结果表明，在研究复杂蛋白质的进化时，应考虑多种环境影响”。

在视紫红质中证明这种趋势的重要性在于蛋白质本身代表了一个巨大的其他蛋白质家族，其在整个动物体内具有相似的重要功能。该组称为G蛋白偶联受体，也是目前人类疾病治疗中最大和最重要的药物靶点之一。因此，他们的方法和发现也可能有助于更好地理解基因突变如何导致人类疾病。

“这一点特别有趣的是，自然选择通过间接影响通常在突变时引起人类疾病的结构区域来修饰蛋白质功能，”Chang说。“由于高海拔突变位于这些区域的外围，它们不是立即明显的自然选择目标，我们需要通过实验证实它们对蛋白质功能的影响。

“我们对蛋白质科学的跨学科研究方法依赖于进化的线索，揭示蛋白质结构和功能的新方面，难以用传统方法发现。”

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