新物種是如何產(chǎn)生的，又有多快發(fā)生?康斯坦茨大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家Axel Meyer教授及其團(tuán)隊(duì)在回答生物學(xué)中的基本問題上邁出了決定性的一步。在對(duì)尼加拉瓜的火山口湖中極年輕的麗魚科魚進(jìn)行廣泛研究期間收集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估后，經(jīng)驗(yàn)證據(jù)表明，當(dāng)許多基因在同一地理區(qū)域內(nèi)時(shí)，種群進(jìn)化為新物種的可能性更大。整個(gè)基因組都參與產(chǎn)生物種區(qū)分特征。此外，新物種僅在幾百年內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)。這與迄今建立的理論相矛盾，即物種形成是一個(gè)緩慢的過程，并且具有重要生態(tài)意義的種間差異具有簡(jiǎn)單，與所謂的多基因基礎(chǔ)上的基因相比，遺傳上局部受限制的結(jié)構(gòu)更可能導(dǎo)致新物種的形成。最終，這與達(dá)爾文已經(jīng)提出的問題有關(guān)：什么是物種，以及新物種的產(chǎn)生方式和原因?這項(xiàng)大規(guī)模的多學(xué)科研究的結(jié)果已發(fā)表在科學(xué)雜志上大自然。

哪些基因以及其中有多少基因與物種形成有關(guān)?

在遺傳學(xué)中，新物種出現(xiàn)的問題轉(zhuǎn)化為：導(dǎo)致新物種出現(xiàn)的基因組變化模式是什么?從種群中最初沒有差異到繁殖分離物種的完整物種形成，在連續(xù)過程中遺傳會(huì)發(fā)生什么?自從他的博士論文以來自1980年代末在美國伯克利的加利福尼亞大學(xué)以來，到1990年代末在康斯坦茨大學(xué)，Axel Meyer一直在研究以下問題：哪些以及哪些基因或遺傳位點(diǎn)(即基因組上的區(qū)域)參與適應(yīng)和新物種的開發(fā)。在這里，重點(diǎn)是研究生活在尼加拉瓜的火山口湖中的非常年輕的麗魚科魚，通常只有幾百代。盡管所有這些魚類均來自尼加拉瓜兩個(gè)大湖，馬那瓜湖和尼加拉瓜湖中相同的原始種群，但每個(gè)火山口湖中都有魚類種群或什至是幾個(gè)物種的小型物種群，它們僅生活在各自的湖泊中，具有特定的表型差異，有時(shí)在幾個(gè)湖泊中以非常相似的方式發(fā)現(xiàn)，即似乎已經(jīng)獨(dú)立發(fā)展了好幾次。

同一火山口湖中的多種表型

有嘴唇明顯的魚，有的沒有嘴唇的魚，金色和黑白魚，它們的魚具有特別細(xì)長的體型或某些脆弱或健壯的牙齒形狀而與其他魚不同。這些表型起源于火山口湖，因此在同一地理區(qū)域內(nèi)(同形物種形成)，而沒有外部障礙，例如河流或山脈，則通過通過繁殖進(jìn)行基因交換來限制基因流量而有利于此。因此，這不是異源物種。

正如阿克塞爾·梅耶(Axel Meyer)和他的團(tuán)隊(duì)(尤其是安德烈亞斯·考特博士，克勞迪烏斯·克拉托奇維爾博士和亞歷山大·納特博士)所展示的那樣，魚類的嘴唇，顏色，身體和牙齒形狀的變化均源于原始種群在分析了每個(gè)小湖中總共近500條魚類的完整基因組之后。因此，這些代表的不是獨(dú)立產(chǎn)生的新突變，而是對(duì)相同原始基因變異的分類和選擇性選擇，這些變異已在各個(gè)湖泊中重新進(jìn)行了分類。以前，尚不清楚這些物種是否是通過適應(yīng)新的生態(tài)條件而單獨(dú)進(jìn)化的新物種。實(shí)際上，在表型上各異的湖泊也更喜歡彼此交配。

許多基因有很大的作用

對(duì)于幫助發(fā)展生物物種概念的恩斯特·梅爾(Ernst Mayr)而言，這表明它本身就是一個(gè)物種。但是，基因組測(cè)序的新結(jié)果表明并非如此。在對(duì)超過450個(gè)魚類基因組進(jìn)行測(cè)序，雜交實(shí)驗(yàn)和全基因組關(guān)聯(lián)(GWA)后，發(fā)現(xiàn)這些種群的基因組中的顯著差異(如嘴唇大小和顏色)僅由一個(gè)或兩個(gè)本地決定通過孟德爾遺傳的基因組區(qū)域非常有限。嘴唇或顏色相同類型的魚幾乎互相繁殖。這些基因沒有導(dǎo)致物種之間預(yù)期的全基因組遺傳差異。相比之下，令人驚訝的是

這意味著基因組中許多位置的許多基因各自對(duì)遺傳分化貢獻(xiàn)很小，其作用有效地累加了整個(gè)基因組并導(dǎo)致了新物種的出現(xiàn)。這些年輕物種之間的整個(gè)基因組中的突變數(shù)量比不代表獨(dú)特物種的大嘴金魚或金魚與黑白條紋魚的物理上非常不同的多態(tài)性高10倍。

因此，許多基因的共同作用對(duì)新物種的發(fā)展具有更強(qiáng)的作用。Axel說：“這不是我們所期望的。它還與該理論的大部分內(nèi)容相抵觸。根據(jù)該理論，對(duì)物種的外觀產(chǎn)生重大影響的單個(gè)基因座(如明顯的嘴唇或色澤)應(yīng)促使新物種更快地發(fā)育。”邁耶 而且，這里的所在地特別影響生態(tài)和合作伙伴的選擇，這尤其令人驚訝。“至少根據(jù)整個(gè)基因組中平均差異的標(biāo)準(zhǔn)，具有如此明顯表型差異的魚類仍不是不同物種，而是處于物種連續(xù)性上的純多態(tài)性(多樣性)水平。”

火山口湖構(gòu)成自然實(shí)驗(yàn)

地理環(huán)境使火山口湖成為一種自然實(shí)驗(yàn)。原始的魚類種群來自兩個(gè)較老的鄰近湖泊，它們之間沒有任何聯(lián)系?；鹕娇诤逆湕l已被魚類種群相互獨(dú)立地殖民。只有通過模擬才能計(jì)算出原始種群的樣本何時(shí)以及如何進(jìn)入七個(gè)較小的湖泊。

然而，它發(fā)生在幾百到幾千年前的某個(gè)地方，在火山口湖中定居的魚類并不多。因此，如此處所示，新物種的出現(xiàn)比以前所想的要快得多。邁耶相比之下，培養(yǎng)皿的湖泊，所有接種相同的初始遺傳的情況，這幾代獨(dú)立發(fā)展：“這里有世界上很少有系統(tǒng)，如加拉帕戈斯群島或火山湖尼加拉瓜，這是一個(gè)自然實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)化研究。”