为了活在地下，它们的基因点了这些“技能树”

在我们脚下的黑暗世界里，生活着一群神秘的“地下居民”——它们从未见过阳光，却在永恒的黑暗中繁衍生息；它们呼吸着稀薄的空气，却依然活力充沛；它们用爪子日夜不停地挖掘，在坚硬的土层中开辟自己的家园，每天干劲满满。这些地下哺乳动物究竟是如何能在这样艰苦的条件下“安居乐业”？

最近，它们的生存奥秘，被中国科学院动物研究所研究员胡义波与中国科学院院士魏辅文团队首次揭开。通过对四种典型地下哺乳动物的深入研究，他们发现，这些看似毫不相关的动物，竟然在基因层面“不谋而合”地选择了相同的生存策略。更令人惊讶的是，支撑它们地下生活的主要力量，来自于它们在亿万年进化历程中对自身基因的精妙改造。

动物园中的裸鼹鼠

（图片来源：维基百科）

极限挑战：地下世界的残酷考验

光线？一丝没有，永恒的黑暗里，眼睛就当摆设。

氧气？只有地面的一半，二氧化碳浓度却是高得惊人。

每天干什么？挖土——坚硬的土壤要耗费大量体力，还有各种病菌四处潜伏。

这，便是地下哺乳动物面临的日常。

对于大多数哺乳动物来说，这样的环境简直是噩梦。但是，自然界中却有一些“勇士”选择了这种极端的生活方式。从生活在中国秦岭山区的中华竹鼠，到分布在非洲的裸鼹鼠，再到栖息在中东地区的盲鼹鼠，以及生活在高加索地区的土黄鼹形田鼠，这些动物虽然生活在不同的大陆，属于不同的动物家族，却都不约而同地选择了地下生活。

为了在这样的环境中生存，它们演化出了许多“专属装备”。比如，它们的眼睛都变得很小，有些甚至完全退化——在永恒黑暗的地下世界，视觉确实没什么用处；它们的耳朵也缩小了，这样在狭窄的地下通道中行动更加便利；相反，它们的四肢变得异常粗壮有力，牙齿也特别坚硬，这些都是为了适应长期的挖掘工作。

可这些变化远远不够，真正的生存密码还藏在别的地方。

进化神工：基因密码的惊人发现

为了知道这些外表相似的特征背后是否也存在相似的基因变化，研究团队首先对中华竹鼠进行了全面的基因组测序——这就像是为它制作了一张详细的“基因身份证”。

结果令人震惊。研究人员发现，在中华竹鼠的基因组中，一个名为Hsp90的基因家族发生了显著的扩张。通常情况下，大多数哺乳动物只有2-3个Hsp90基因拷贝，但中华竹鼠竟然拥有10个！

Hsp90是一种特殊的蛋白质。它就像是细胞内的“应急救援队”，当细胞面临缺氧等紧急情况时，Hsp90就会出动，帮助细胞制造一氧化氮——扩张血管、保护细胞，让动物在缺氧环境中依然能够正常生存。

简单来说，中华竹鼠相当于在自己的基因工具箱里多准备了几把“救命钥匙”，应对地下极端环境中的困难，就自然比别人更轻松。

昆明动物博物馆的中华竹鼠标本

（图片来源：维基百科）

改造升级：眼睛和牙齿的“重新设计”

穴居动物不只是在基因中“加装备”，还会“改旧件”。研究人员比较了中华竹鼠和普通实验室小鼠在眼部、眼周和牙周组织中的基因表达情况，发现了更有趣的变化。

在眼部组织的分析中，中华竹鼠并没有完全“关闭”视觉相关的基因，而是对它们进行了精细的调节。一些负责维护眼部细胞的基因表达增强了，而另一些则被削弱了。这说明，中华竹鼠的视觉系统并没有完全报废，而是经过了“重新装修”，以适应地下的光照条件。

在牙齿方面，变化更加明显。研究人员发现，许多控制牙齿发育的关键基因都发生了表达变化。特别是一些通常会限制牙齿生长的“刹车基因”被削弱了，这可能有助于中华竹鼠长出更加坚硬、更适合挖掘的牙齿。

这些发现告诉我们，地下哺乳动物并不是简单地“关闭”某些功能，而是像一个精明的工程师一样，对自己的“身体机器”进行了全面的改造升级。

殊途同归：四兄弟的惊人默契

当研究的范围扩展到四种不同的地下哺乳动物时，更加令人震撼的发现出现了——尽管这些动物生活在不同的大陆，属于不同的动物家族，进化历史相距甚远，但它们在基因层面却表现出了惊人的相似性。

研究人员发现了，有35个基因在这四种动物中都发生了相同的变化。这就像是四个从未谋面的人，却不约而同地选择了相同的解决方案来应对相同的问题。

其中最引人注目的，是一个叫做Megf11的基因。这个基因负责眼部发育，在四种地下动物中都发生了相同的变化：调控合成蛋白质的某个氨基酸从丙氨酸被替换成了丝氨酸。

更有趣的是，当科学家们扩大调查范围，查看了45种不同的啮齿动物后，发现这种变化不仅存在于地下动物中，还出现在一些夜行性动物身上。

这个发现意义深远：不管是生活在地下的动物，还是习惯夜间活动的动物，都面临着相似的“黑暗挑战”，而大自然则给出了相同的“标准答案”——通过改变Megf11基因来更好地适应黑暗环境。

一只生活在土耳其的土黄鼹形田鼠

（图片来源：维基百科）

有舍才有得：Krt9基因“退休”让爪子更灵活

更令人惊讶的发现，来自对Krt9基因的研究。这个基因通常负责制造角蛋白9，这是一种能让皮肤变硬的蛋白质。但在所有四种地下哺乳动物中，这个基因都“坏掉了”——科学家称之为“假基因化”。

乍一看，这似乎是件坏事。毕竟，基因“坏了”通常意味着功能缺失。但对于地下动物来说，这可能反而是件好事。Krt9基因的产物主要在脚掌部位发挥作用，让皮肤变得坚硬。但对于需要长期用爪子挖掘的地下动物来说，过度坚硬的皮肤可能会妨碍它们的挖掘效率——就好比过于厚实的装甲反而让坦克变得笨重。因此，“丢掉”这个基因可能让它们的爪子变得更加灵活有力。

Krt9基因的失活并不是偶然现象，而是在至少八个不同的地下哺乳动物家族中都独立发生了。这强烈暗示，对于选择地下生活的哺乳动物来说，失去Krt9基因是一种普遍的适应策略。

一只生活在乌克兰的盲鼹鼠

（图片来源：维基百科）

没有“外援”，全凭实力：微生物伙伴的“意外缺席”

在研究地下动物的适应机制时，科学家们原本以为肠道微生物也参与了这场适应性演化的“大合唱”。毕竟，在我们已知的许多例子中，动物都会借助肠道中的微生物伙伴来适应特殊环境。

比如，生活在青藏高原的牦牛和绵羊，它们的肠道微生物组成非常相似，这些微生物帮助宿主更好地消化食物，适应高海拔的低氧环境。还有专门吃蚂蚁的动物，如食蚁兽、土豚等，虽然分属不同家族，但它们的肠道微生物也表现出相似性，特别是在消化蚂蚁外壳中的几丁质方面。

然而，地下哺乳动物却给了研究人员一个意外。通过对包括中华竹鼠、长尾鼩鼹在内的多种地下动物的肠道微生物分析，研究人员发现，不同种类的地下动物拥有完全不同的肠道微生物群落。

原来，这些地下动物虽然都选择了地下生活，但它们的食性、消化系统结构以及进化历史都不相同。有些是食草动物，有些是食虫动物；有些有复杂的消化系统，有些则比较简单。这些差异的影响可能比栖息环境的影响更大。

另外，与那些完全生活在高海拔或深海的动物不同，地下动物偶尔还会到地面上活动，因此地下环境的选择压力可能没有其他极端环境那么强烈和持续。

因势而为：基因组主导的生存哲学

依靠改造自身基因组来适应极端环境，而非依赖微生物伙伴的帮助，这便是地下哺乳动物智慧的生存哲学

这种策略有其独特的优势。虽然基因改变需要很长的演化时间，但一旦形成，就非常稳定可靠。就像是给自己的身体安装了一套永不会背叛的“内置工具”，无论走到哪里，都能随身携带。

相比之下，依赖微生物伙伴的策略虽然可能更加灵活，但也没那么“靠谱”。微生物群落可能会因为饮食、环境或其他因素发生变化，从而影响宿主的适应能力。

这种差异告诉我们，面对相似的环境挑战，不同的生物类群可能会选择截然不同的解决方案。有些选择“内功修炼”（基因改造），有些选择“外援助力”（微生物合作），还有些可能两者兼用。每种策略都有其独特的优势和适用条件。

智慧延伸：自然界工程师对人类的启示

地下哺乳动物就像是自然界的“地下工程师”。它们不仅为自己设计了完美的地下生存装备，还在生态系统中发挥着重要作用：它们的挖掘活动就像天然的“犁田机”，不断翻松土壤，改变地貌，促进植物生长和生态系统的更新；它们还是土壤中碳循环和营养循环的重要参与者，对维持地下生态系统的健康具有不可替代的作用。

对于人类来说，地下哺乳动物的适应机制也提供了宝贵的启示。比如，它们应对缺氧环境的分子机制，可能为治疗心脑血管疾病提供新思路；它们长期生活在多是病菌的土壤里，却很少生病，这种独特的免疫调节方式可能启发新的免疫治疗方法；特别是裸鼹鼠的长寿特征，更是抗衰老研究的热点，或许未来从这里，我们能找到延缓人类衰老的秘密。

更重要的是，这项研究展示了现代分子生物学技术的强大威力。通过基因组学、转录组学等多种技术的结合，科学家们终于能够深入到分子层面，理解这些神奇适应现象背后的机制。这不仅满足了人类的好奇心，也为未来的应用研究奠定了基础。

这项研究让我们看到了生命适应极端环境的多样性和自然界中蕴藏着的无穷智慧。随着环境变化日益加剧，理解这些适应机制不仅有助于保护生物多样性，也可能为人类应对未来挑战提供灵感。

参考文献：

1. Li, Kexin, et al. "Host genomic convergence, rather than gut microbiome convergence, underlies the convergent evolution of subterranean adaptation in mammals."Cell Reports44.8 (2025).

出品：科普中国

作者：郭菲（烟台大学）

监制：中国科普博览