在世界各地的河流和小溪中，蜉蝣仿佛是一種春天的儀式。這種蚊子大小的昆蟲有兩種生活方式，幼蟲在水中茁壯成長，成蟲則在6月前後大量繁殖——它們在幾個小時內進行交配，然後很快死亡。
據《科學》報導，通過對一種不同尋常的、雄性有第二雙向上的眼睛的蜉蝣物種進行基因組測序，研究人員現在搞清了水生蜉蝣幼蟲是如何變為飛蟲的，並發現了昆蟲最初是如何進化出飛行本領的新線索。
由於數量眾多，蜉蝣是鳥類、魚類和哺乳動物的重要食物。它們一生中的大部分時間都在水下食用枯葉和其他物質。當春末氣溫回升時，那些肌肉發達、看起來像微型六足蝦的幼蟲就會浮出水面，蛻皮成為嬌弱的、兩翅或四翅的成蟲。進化生物學家對蜉蝣很感興趣，因為它和遠親蜻蜓屬於昆蟲族譜早期進化的一個分支，事實上，它們看起來仍然很像最早的空中昆蟲。
然而，從一隻小昆蟲身上獲得高質量的基因組是很難的。科學家需要將幾隻昆蟲的DNA進行組合，而每隻昆蟲的基因組略有不同。所以，在對這種蜉蝣物種進行測序之前, 安達盧西亞發育生物學中心生物學家Isabel Almudi、Fernando Casares及其同事必須先明確如何在實驗室裡繁殖這個物種，之後，他們才能夠對蜉蝣基因組進行測序，測量所有生命階段和各種組織中的基因活性。這對於蜉蝣來說是第一次。
研究給出了幾個驚喜。首先，這種雄性蜉蝣有兩種被稱為視蛋白的額外感光蛋白，而雌性蜉蝣則沒有。研究小組推測，這些視蛋白能感知藍色和超強光，並在第二雙眼睛中很活躍，也許能幫助其看到位於上方的雌性。
最大的驚喜來自蜉蝣幼蟲鰓的基因活動。蜉蝣的鰓一度被認為只用於吸氧，但它似乎也是鼻子。Almudi和她的團隊在《自然—通訊》上報告說，這個組織中有異常多的與嗅覺和味覺有關的蛋白質。
英國非營利昆蟲保護組織Buglife的昆蟲學家Craig Macadam表示，這一發現「可能幫助我們更多地了解蜉蝣是如何感知周圍環境的」。美國邁阿密大學進化生物學家Yoshi Tomoyasu認為，這些額外的蛋白質也可以幫助蜉蝣幼蟲向成蟲大規模進化。
研究人員在梳理髮育過程中活躍的基因時，發現蜉蝣幼蟲鰓中有幾個基因在成年蜉蝣翅膀的發育過程中也起作用。
昆蟲翅膀是一項重要的進化創新，其起源一直是爭論的焦點。一些生物學家認為，翅膀最初作為體壁的延伸而進化，而另一些人則認為它們由腿進化而來。蜉蝣的鰓被認為是從上肢中長出來的。因此，Tomoyasu認為，翅膀和鰓具有相似基因活動的發現，為翅膀和鰓至少部分是由腿進化而來的觀點「提供了第一個基因組支持」。
但是，Macadam說，「這是否意味著翅膀是從鰓中衍生出來的仍有爭議。」
普渡大學昆蟲學家Luke Jacobus認為，蜉蝣基因組和這些初步發現只是第一步。 「我希望這項研究能激發更多關於蜉蝣的研究。」他說，它們在理解昆蟲是如何進化方面「具有尚未開發的潛力」。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16284-8