毒液是自然界最強大的適應性之一。例如，地理芋螺在蜇刺時僅注入約十分之一毫克的毒液，然而，這足以在不到一小時內殺死一個人。這些化學混合物包含一些已知的最有效的化合物，它們可怕的力量自歷史黎明以來就令人敬畏。然而，直到現代遺傳學的進步，科學家們才能夠研究編碼如此強效毒素的基因是如何產生的，從而一窺分子水平進化的運作方式。從這些研究中得出了當前關於毒液基因如何透過酶、肽和其他蛋白質的基因的偶然複製和突變而進化的經典模型。
但是，最近發表在《當代生物學》上的新發現挑戰了這一模型，發現寄生蜂物種的大多數毒素基因實際上是來自其他生理角色的“兼職”。一個更令人興奮的含義是，如果這一發現與其他化合物（而非毒液）相關，那麼它可能成為自然界用來快速開發其他進化解決方案的途徑。
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“我研究寄生蜂已經很長時間了，”羅切斯特大學生物學教授傑克·沃倫評論道。他對這些動物的著迷之處在於它們特殊的毒液，這些毒液使黃蜂成為生理操控大師。寄生蜂是一個龐大的群體，包含 10 萬到 60 萬個物種，它們在幼蟲期是寄生的，生活在宿主體內或經常在其體內，並將宿主活活吃掉。作為自由生活的成蟲，它們必須找到並制服合適的生物來作為其幼體的宿主，它們藉助改變行為的毒液來做到這一點。例如，翡翠蟑螂黃蜂將其強大的目標——體型是其數倍的蟑螂——透過操縱動物的大腦化學物質，轉變為黃蜂飢餓後代的順從的食物。《Glyptapanteles》黃蜂更進一步，將其毛蟲祭品變成殭屍保鏢，以保護剛剛從毛蟲組織中吃出來的幼蜂。另一種黃蜂，Reclinervellus nielseni，迫使其蜘蛛受害者將其網變成堅固的巢穴，這些巢穴將在蜘蛛死亡後繼續保護黃蜂幼蟲。
沃倫解釋說：“寄生蜂的毒液與大多數已研究過的有毒動物的毒液截然不同，因為它們進化為操縱新陳代謝”，而不是直接殺死。他和他的實驗室的兩名博士後研究員艾倫·O·馬丁森和姆里納里尼（現就職於新加坡國立大學）對了解寄生蜂毒液中毒素的多樣性以及這些毒素如何進化很感興趣。他們和他們的同事首先組裝了幾個密切相關的黃蜂物種的基因組，他們發現了一些驚人的東西：即使是黃蜂中的近親，它們的毒液基因也僅共享約 30% 到 40%。這個出乎意料的低數字表明，新物種的進化伴隨著毒液基因的快速更替，舊基因被遺棄，而具有新毒液功能的新基因突然出現。“我們的下一個問題是，好吧，發生了什麼？”沃倫說。“這些被拾取的基因，它們來自哪裡？這讓我們深入探討了一個廣泛的問題：新基因的功能是如何進化的？”
主要基於對蛇、蜘蛛和其他對我們自身構成危險的物種的研究，人們認為大多數毒液基因是透過基因複製機制，然後進行突變和重新利用（科學家稱之為新功能化）而產生的。該過程始於具有潛在毒性功能的分子（如蛋白質切割酶）的基因意外複製，通常發生在卵細胞和精子形成過程中。額外的副本擺脫了執行原始基因生物學職責的負擔，可以透過隨機突變積累變化。這些變化可能使重複基因或其蛋白質變得毫無價值，並且可能會消失。然而，有時，這些變化會以某種方式改變蛋白質，使其成為有用的毒素——瞧，一種毒液毒素就誕生了。
但是，當馬丁森、姆里納里尼、沃倫及其同事比較來自四種密切相關的寄生蜂物種的毒液蛋白和基因時，他們看到的並非如此。與其他有毒動物的研究形成鮮明對比的是，他們發現透過他們的遺傳分析發現的 53 個最新招募的毒液基因中，幾乎一半是單複製的，這意味著它們不是進化過程中修補過的其他基因的重複。事實上，只有不到 10% 的毒素基因顯然是透過複製和突變產生的。
然後，該團隊想了解這些單複製基因是如何從執行普通的、非毒液功能轉變為充當毒素的。結果再次令人驚訝。“當我們剛開始做這件事時，我們實際上完全看錯了，”沃倫說。“我們認為我們看到的是基因作為毒液的快速特化，以及它們其他功能的喪失。”但是，當他們觀察黃蜂身體的哪些組織正在表達這些基因時，“我們發現事實並非如此。”
相反，沃倫將這些單複製基因的功能比作“兼職”賺外快，這些基因除了在身體其他地方的“日常工作”之外，還在毒液腺中承擔“夜間工作”。這些基因在幼蟲或成蟲發育的各個階段，在各種組織中都有一定程度的常規表達。毒液腺只是更豐富、更穩定地表達這些基因。因此，該基因的蛋白質——在黃蜂身體的其他地方具有良性生理功能——在毒液中達到了具有毒性特性的濃度。“這就是為什麼很多都是表達進化，”沃倫解釋說。“蛋白質變化不大。只是它的表達模式發生了變化，使其成為毒液。”
圖片來源：露西·雷丁-伊坎達量子雜誌
這種缺乏變化的情況也與人們對毒液基因的預期大相徑庭。複製和突變模型隱含的假設是，毒素需要快速進化才能有效，因為許多有毒動物可能會與它們的毒素目標進行軍備競賽。如果毒液進化得不夠快，那麼它們旨在作用的捕食者或獵物將進化出一種對策，使毒性優勢變得毫無意義。迄今為止，研究其他物種的生物學家已經看到毒液基因以驚人的速度進化：例如，芋螺使用的芋螺毒素已知會迅速突變。
但研究結果表明，黃蜂不需要毒液毒素基因中的突變來從一個宿主切換到另一個宿主，或跟上當前宿主的步伐。它們只需要能夠快速地共同選擇和丟棄用於製造毒液的基因。
研究結果開啟了科學家們一直忽視毒素基因起源的主要途徑的可能性。“這些發現提出了與其他有毒動物可能用來產生毒液毒素的過程相關的重要問題，”尼古拉斯·卡塞韋爾寫道，他是利物浦熱帶醫學院阿拉斯泰爾·裡德毒液研究部門的高階講師和惠康信託研究員，他在與《當代生物學》論文一起發表的總結報告中寫道。“雖然基因複製和選擇性剪接通常被認為是蛋白質新功能化的主要機制，但這項研究表明，共擇過程應被重新評估為基因獲得新功能的潛在重要方法。”
布萊恩·弗萊是昆士蘭大學毒液進化實驗室的負責人，他在傳送給Quanta的電子郵件評論中大致同意這一觀點。沃倫及其團隊的工作是一篇“非常有趣的論文，它強化了我們對毒液進化了解得越多，我們就越意識到我們知之甚少。眾所周知，寄生蜂具有非常奇怪的策略，這篇論文強化了它們是多麼獨特地不同。”他寫道，共擇是否更廣泛地發生還需要確定。
班戈大學講師沃爾夫岡·伍斯特承認：“我並沒有特別想到它會成為毒液進化的可能機制。”他也不相信這種基因進化機制在其他有毒群體中很突出。“我懷疑它仍然會很不尋常，”他說。“正如作者指出的那樣，寄生蜂毒液的作用方式比蛇、蜘蛛或芋螺等更知名的捕食性或防禦性毒液更為微妙、更精細。”黃蜂毒液的這種獨特的生態作用可以解釋為什麼這些動物如此嚴重地依賴於與其他有毒物種不同的基因進化機制。“長時間麻醉比殺死東西要困難得多，而且需要更多技巧——問問任何外科醫生就知道了，”伍斯特說。
與伍斯特一樣，沃倫認為共擇在毒液基因中很少見的想法是“一個需要探索的假設”。儘管如此，他認為這種進化模式可能被低估了，因為其他研究很少比較進化上的近親。“如果你觀察彼此非常非常不同的物種，你可能會發現某些基因子集是共享的，而另一些則不是，但你並沒有真正獲得精細的圖景。
“這個過程在蛇身上可能沒有那麼重要，”他說，但他指出，“在我們可以肯定地說之前，還需要對真正密切相關的蛇類物種進行更多工作。”
沃倫認為，基因兼職的作用可能不僅限於毒液。基因兼職僅僅透過表達的變化就可能發生，這可能僅由單個突變引起；它不需要複製和新功能化模型所暗示的隨機改變和選擇的迂迴過程。因此，共擇很可能是一種更快的適應機制。“對於環境變化非常快的物種，這種單基因共擇過程可能相當重要。只是還沒有對此進行太多研究，”他評論道。
“這是一種通用功能，還是僅在這些特殊器官中發生？”他問道。“我期待在未來幾年解決這個問題，但我認為這將是一種相當廣泛的機制，特別是當生物體受到快速選擇時。”
“這篇論文再次很好地說明了生物學的樂趣之一，”伍斯特說。“就在你認為自己已經找到了動物完成某件事的一般規律時，又會冒出一些完全不同的東西。”
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