進化通常被認為是一個緩慢的過程，性狀的變化可能需要經歷成千上萬代才會出現。雖然近年有研究表明，一些特定的性狀對新環境的適應性似乎可以在很短的時間內出現。然而，很少有微生物之外的研究能明確證明，自然選擇是如何快速地塑造整個基因組的。
在適應過程中，自然選擇對基因組的遺傳變異的調節速度究竟有多快？這個問題在很大程度上還沒有得到全面的實驗研究。在一項新的研究中，瑞士巴塞爾大學環境科學系的研究人員以當地的三刺魚（Gasterosteus aculeatus）作為生物模型，通過實驗分析了棲息在博登湖的不同區域中的三刺魚，發現了快速適應的遺傳基礎。
這項為期五年的研究結合了實驗室工作、野外實驗、數學建模和基因組分析。他們的研究結果表明，從基因組層面上看，自然界中的適應性可以在一代的時間內就被檢測到。研究人員將實驗方法詳細地發表在了近期的《自然通訊》雜誌上。
三刺魚是刺魚科的一種魚類，它們在湖泊和溪流中的棲息，使它們進化出了獨特的生態型。位於阿爾卑斯山腳的博登湖中的三刺魚就出現了這種不同的適應現象，這種生態多樣性反映在湖泊和溪流生態型在一些特徵上的差異，比如覓食和捕食者防禦形態，以及生命周期等特徵上。
很顯然，博登湖區域中出現的湖泊和溪流生態型，無疑是適應性進化造成的結果。此前的一些研究已經表明，溪流中的三刺魚始終優於湖泊中的三刺魚，而且這種適應性差異具有很強的遺傳基礎。
博登湖區域中的兩種不同生態型的三刺魚，它們分別在特定棲息地的影響下進化。左邊是湖泊中的三刺魚，右邊為溪流中的三刺魚；上排為雌魚，下排為雄魚。| 圖片來源：Daniel Berner / 巴塞爾大學
在新的研究中，研究人員試圖從分子層面上，了解在基因組水平上適應的模式和速度。因此，他們通過實驗設計，將快速的生態適應與基因組範圍內的遺傳變異頻率的變化聯繫起來。
他們在實驗室中讓生活在湖泊中和溪流中的魚類進行了幾代雜交，讓這兩種生態型的基因組混合在一起，從而形成一個基因多樣化的實驗種群。接著，他們進行了野外實驗，將3000條這種實驗室雜交幼魚放生到了一條沒有刺魚的天然溪流中，讓它們面臨自然選擇。一年後，他們將這條溪流中的「倖存」魚重新捕撈上來，並對它們進行基因檢測。
這項研究中存在一個關鍵的實驗假設，那就是如果自然選擇可以驅動一個實驗種群在一代的時間內出現等位基因頻率變化，那麼這些變化可能是非常細微的，以至於難以通過比較選擇之前和選擇之後的實驗種群來發現變化。
因此，為了記錄基因組中可能出現的變化，研究人員首先需要識別出最有可能成為自然選擇目標的基因組區域。他們使用原始種群的基因組數據，比較原始湖泊和河流中的種群基因，發現了數百個可能對適應湖泊和溪流環境很重要的基因組區域。接下來，他們將在野外生存了一年之久的種群的基因序列與原始的實驗室雜交魚的基因序列進行對比，以此來確定這些候選基因組區域中的基因變異頻率的變化。
最終的數據結果支持了他們的假設：平均而言，向溪流種群的變異的頻率增加了約2.5%，而向湖泊變異的頻率則減少了。這種差異乍看之下可能很小，但如果經歷幾十代的變化，就會表現得非常明顯。
這樣的結果表明，這種進化可以在我們眼前迅速發生，而且如此之快的變化不僅僅出現在微生物中，也可以發生在動物物種身上。對於具有這種快速進化機制的物種來說，它們或許能更好地應對當前由人類造成的環境巨變。