基因测序时代揭示了我们与其他动物的联系，以及我们之间的差异。通常，比较不同物种的基因组会发现，体型、形状和形态的巨大变化并未在基因层面得到相似的反映。新的适应性通常是通过对现有基因进行小幅改造以适应不同功能来实现的，而不是凭空创新。
蛇类是个例外。科罗拉多大学 Todd Castoe 和 Zhi Jiang 的一项新研究表明，蛇类的生活方式非常独特，以至于它们的一些核心蛋白质（在其他动物物种中变化很小）经历了巨大的改变。这些进化上的爆发如此剧烈，以至于 Castoe 和 Jiang 将其称为“进化重塑”。
这些蛋白质都与好氧代谢有关，即在氧气存在下分解糖类和脂肪等分子以释放能量。这些蛋白质的大规模变化可能促成了蛇类令人难以置信的代谢能力，这在动物界是独一无二的。
蛇类可以长时间不进食，但一旦有食物，通常数量都很多。借助窒息的缠绕、致命的毒液和可分离的下颚，蛇类可以杀死并吞食远大于自身体型的动物。吞食后，之前沉寂的蛇类会获得一顿大餐来分解，它们通过将消化过程提升到更高的档位来实现这一点。
以一条大蟒蛇为例。进食后，它的代谢率会提高 40 倍，并经历一次剧烈的内部重塑。在两天内，它的肠道和肝脏会增大一倍，胃、胰腺和肾脏也会随之增大。这个扩大的消化系统需要大量的富氧血液，以至于它的心脏会增大 40%。这是一种真正独特的进食策略，这项研究表明，这种独特性延伸到了分子层面。
重塑
好氧代谢依赖于被称为线粒体的微小结构。这些微型能量工厂是为细胞提供能量的生化反应的场所。线粒体有自己的小型基因组，其中包含制造 13 种不同蛋白质的指令。为了研究这些，Castoe 和 Jiang 比较了从棉口蛇到蟒蛇等多种蛇类的线粒体基因组，以及像蜥蜴这样的近亲。他利用这些比较来描绘这些基因组随时间变化的图景。
只有其中一些基因变化会影响构成这 13 种线粒体蛋白质的氨基酸序列。这些蛋白质在不同物种之间通常非常一致，以至于每发生一个改变氨基酸的“非同义”变化，就会有 8 个“同义”变化（不改变氨基酸）。
但在蛇类身上并非如此。Castoe 和 Jiang 发现，在它们的蛋白质中，非同义变化的数量是同义变化的 3 倍，而且这两种类型的比例比其他脊椎动物高 25 倍。即使对于这些蛋白质中最稳定、最不变的 COI 来说，在大多数蛇类中，这个比例也要高 60 倍。
结果是，线粒体蛋白质经历了一次快速的、极端的氨基酸替换爆发。这使得蛇类拥有了在其他动物中以其一致性而闻名的蛋白质的独特版本。甚至一些在其他脊椎动物中始终保持不变的氨基酸在蛇类中也发生了替换。这些变化发生在它们进化的早期，一旦形成，这些基因就恢复了静态的性质。
COI 蛋白就是一个很好的案例研究。在蛇类中，其 23 个最关键的氨基酸发生了独特的变化。当 COI 的氨基酸链正确折叠时，其中 17 个会形成相互靠近的簇。这些簇有助于形成蛋白质的“工作端”。它们非常重要，以至于改变其中的任何一个氨基酸都可能导致蛋白质整体结构变形并使其失效。
因此，这些簇中的氨基酸很少改变。然而，在蛇类中，它们似乎以前所未有的程度协同进化。这些同时发生的变化使得蛋白质整体结构发生了巨大的改组，重新组织了其一些核心功能，包括一些对好氧代谢至关重要的功能。
转向地下
为什么线粒体蛋白质在蛇类中发生了如此剧烈的变化，而在其他脊椎动物中没有？Castoe 和 Jiang 认为，你只需要看看蛇类的进化就能找到可能的答案。蛇类的祖先是喜欢穴居生活的蜥蜴类动物。它们的四肢是障碍，并逐渐消失。随着时间的推移，它们的身体拉长，右肺也随之拉长，而左肺变得很小且无用。它们可能很像今天生活在热带的盲蛇。
一些古代蛇类最终回到了地面。它们的身体变得更大，头骨变得非常灵活，并且发展出能够重塑内部器官以适应大量而不频繁的肉类摄入的能力。有些甚至发展出了一系列有毒蛋白。
随着身体形状和生理上的两个巨大变化，蛇类线粒体蛋白质也经历了类似的大规模变化也就不足为奇了。这些变化对蛇类新陈代谢的影响仍然是一个谜，只有通过进一步研究这些独特蛋白质的生物化学才能解开。此类研究甚至可能帮助我们更好地理解线粒体蛋白质在我们自身细胞中的作用。考虑到它们的重要性，这是我们仍然相当无知的领域。
参考： Castoe, T.A., Jiang, Z.J., Gu, W., Wang, Z.O., Pollock, D.D., Stajich, J.E. (2008). 蛇类核心代谢蛋白质的适应性进化和功能重塑. PLoS ONE, 3(5), e2201. DOI: 10.1371/journal.pone.0002201
