导 读
海洋哺乳动物的主要类群（海牛类、鲸豚类、鳍足类）在古气候驱动下分三个时间由陆地演化入海，它们是研究极端环境下高等动物适应性演化的良好材料。海洋哺乳动物在演化过程中产生了一系列适应于海洋环境的改变，如：流线型体型，高效的保温能力和氧气利用能力。另外鳍足类还演化出了哺乳动物最高效的繁殖策略，齿鲸形成了高度发达的生物声纳。这些特点在理解地球生物多样性演化，仿生学应用和生物医学方面都有着重要意义。研究海洋哺乳动物基因组有助于科研人员更好地理解海洋哺乳动物环境适应性演化策略。
图1 海洋哺乳动物的起源与演化
为什么要研究海洋哺乳动物
高等动物的起源和演化是地球生物多样性研究的前沿和热点领域，在理解生物多样性演化、仿生学和医学方面有着重要意义。随着近几十年基因组测序技术的快速发展，越来越多高等动物演化历史得到了挖掘。例如鸟类的基因组计划解释了“鸟恐龙”是如何由陆入空变成了现今的鸟类；对北极熊基因组的研究阐述了棕熊如何在气候骤降的情况下由常温入极地变成了现今的北极熊；鱼类基因组的研究阐述了它们由水登陆的遗传机制。2023年科研人员对非人灵长类基因组的研究更是在人类医学方面做出了重要贡献。
海洋哺乳动物是“次生性”水生哺乳动物，它们是高等动物由陆入水“逆演化”的典型代表，也是研究高等动物极端环境适应性演化的典型代表。海洋哺乳动物现存约129种，按其演化历程可大致分为3类：鲸目（由陆生偶蹄目动物演化而来）、鳍足类和北极熊（由陆生食肉目演化而来）和海牛目（由陆生长鼻目动物演化而来）。
海洋哺乳动物的适应与演化
环境和气候变化一直是驱动动物演化和新物种形成的主要因素。如海牛和陆生长鼻目祖先分化于63.9万年前，约与晚丹宁事件（Latest Danian Event）时间吻合；鲸类起源于5500万年前的古新世——始新世极热事件；须鲸出现于3300万年前的渐新世全球变冷和极地海冰扩张期；鳍足类动物产生于渐新世中期，大型食肉动物全球辐射，跟德雷克海峡形成时间吻合；北极熊的形成是因为海洋氧同位素阶段（MIS）11时期的温暖期和随后的气温骤降导致的。
海洋哺乳动物在适应海洋环境的过程中，在形态、感官、生理和行为方面进化出了独特的特征，如流线型体型、身体组织的高储氧能力、潜水低氧高耐受性以及独特的保温机制。须鲸进化出了一种高效的滤食方法，可捕食超大量的磷虾，使得它们成为了地球上有史以来最大的动物；齿鲸则进化出了回声定位系统用于水中导航和捕食；鳍足类进化出了独特的繁殖策略：胚胎滞育、哺乳期禁食及高能量乳汁使它们拥有了哺乳动物最高效的抚幼能力，例如冠海豹的抚幼期只有4天。
海洋哺乳动物的这些特点不仅能够帮助科研人员更好地理解全球生物多样性理论，而且具有重要的应用价值。例如，在仿生工程中参考海洋哺乳动物流线型身形和回声定位系统可实现人造潜器的高效运动和精准导航。大翅鲸的翼状鳍肢上有助于提高机动性的独特结构（管状突起），这种结构可以通过优化气动性能来增加在水中或空气中的升力和降低阻力。该特点已被运用于水上飞行器、飞机和风力发电机等领域。在医学方面，了解海洋哺乳动物在体温调节、长寿、抗癌、低氧耐受及脂质代谢方面的分子机制，有望实现与衰老、肥胖、糖尿病、心脏病和中风康复相关的治疗目标。
总结与展望
研究海洋哺乳动物基因组能够揭示全球生物多样性理论、高等动物极端环境适应机制，在仿生学、医学方面具有重要的应用价值。然而，跟其它物种不同的是，海洋哺乳动物生活在深远海或极地环境，人类对它们的了解远落后于对陆生动物的研究。受益于现今基因组测序技术的快速发展，基于广泛的国际合作，科研人员正在筹划启动海洋哺乳动物基因组计划（如：已经成立了鳍足类基因组研究联盟），借鉴鸟类基因组计划、灵长类基因组计划等相关研究的经验，科研人员期望在海洋哺乳动物基因组层面全面揭示其物种形成过程和环境适应性演化机理。
责任编辑
何 盼 Cardiff University
许 健 中国科学院国家空间科学中心
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第1卷第2期以Editorial发表的“Marine mammal genomes: Important resources for unravelling adaptation and evolution in the marine environment” (投稿: 2023-07-05；接收: 2023-08-31；在线刊出: 2023-09-01)。
DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-geo.2023.100022
引用格式：Zhang P., Goodman S.J., O’Connell M.J., et al. (2023). Marine mammal genomes: Important resources for unravelling adaptation and evolution in the marine environment. The Innovation Geoscience 1(2), 100022.
作者简介
张培君，中国科学院深海科学与工程研究所副研究员，博士生导师。从事海洋哺乳动物馆养群体种群管理、繁殖，以及全基因组和肠道微生物宏基因组层面环境适应性演化研究。海南省领军人才，中国科学院青年创新促进会会员，世界鳍足类研究联盟成员（The Pinniped Genomes Consortium），IUCN SSC中国物种专家委员会（CSSG）成员。在PNAS，Nature Ecology&Evolution，Proceedings B, iScience, Molecular Ecology Resources等期刊发表高水平科研论文50余篇。
Simon J. Goodman，利兹大学生物学院进化生物学讲师，主要从事鳍足类群体遗传学、疾病和保护生物学研究。世界自然保护联盟（IUCN）鳍足类专家组联合主席，为联合国环境规划署等政府间组织提供咨询服务，在PNAS，Trends in Ecology&Evolution, MBE, Molecular Ecology等杂志发表高水平SCI论文90余篇，他引5200余次。
Mary J O’Connell, 诺丁汉大学生命科学学院教授，从事计算生物学和基因组学研究。利兹组学研究所（Leedsomics research institute）共同创始人兼共同主任，获得“EMBO World”和“BBSRC STARs”奖项。欧洲核苷酸序列数据库（European Nucleotide Archive，ENA）国际科学顾问委员会的主席，MBE，GBE期刊副主编。在Science, Cell等期刊发表科研论文60余篇，他引3200余次。
柏仕杰，中国科学院深海科学与工程研究所副研究员。从事海洋微生物研究和海洋哺乳动物肠道微生物研究。海南省拔尖人才，已发表高水平科研论文50余篇。
李松海，中国科学院深海科学与工程研究所研究员，博士生导师，国家自然科学基金委“国家杰出青年基金”和“优秀青年基金”获得者。主要致力于海洋哺乳动物研究工作，取得了原创性成果，建立了海洋哺乳动物多样性-适应演化-生物声学交叉融合的研究体系。研究成果主要以论文的形式发表在Science, PNAS, Nature Ecology&Evolution，Biological Conservation等顶级综合期刊或经典专业期刊。自2005年以来，已发表SCI收录论文100余篇。