DNA也有“记忆卡”？海洋表观遗传学，正成为全球海域的24小时预警机

 

 

 

 

△ 表观遗传标记作为环境压力的“哨兵”，灵敏度极高，在海洋生物遭遇海水升温、缺氧或污染等胁迫后的数小时内，其体内的DNA甲基化（DNA methylation）等分子开关就会迅速发生动态调整，比传统生化指标更早发出预警。

△ 海洋表观遗传机制，能在不改变DNA序列的前提下，赋予生物体在快速变化环境中的表型可塑性，甚至能将这种分子记忆跨代遗传，帮助种群在气候巨变中生存。

△ 欧盟的《水框架指令》（WFD）是目前世界上最完善、法律效力最强的环境管理体系之一。它除了关注化学污染的浓度，也强调“生物学评价”，即观察生物的健康状况，来评估水体质量。该研究建议将表观遗传生物标志物整合到欧盟WFD等管理体系中，利用其早期预警能力，在近海生态系统发生不可逆转的退化或崩溃之前，为科学保护和干预决策争取关键时间。

长期以来，科学家主要依靠观察物种数量减少、群落结构崩溃、或者生物体出现明显的病理特征，来评估环境质量是不是健康。但，这些宏观层面的信号往往会带有严重的滞后性。当人们发现海床上的贝类大量死亡、或是珊瑚礁变白时，往往悔之晚矣——生态系统的损伤通常已经到了难以挽回的地步。

 

传统的生化监测指标，如测量生物体内的抗氧化酶、或应激蛋白，虽然比肉眼观察更精细，但在面对复杂的污染环境时，往往缺乏特异性，难以准确判定环境压力与生物反应之间的因果关系。而且，近海生态系统近年来也受到很大的人类活动的影响，如工业废水导致的重金属污染、农业径流引起的富营养化、海水酸化等等，海洋生物在这种快速变化的环境中，仅仅依靠数万年甚至更久的基因突变来产生进化适应，显然已经跟不上环境恶化的脚步。

 

所以，科学家迫切要搞清楚，生物体是否存在一种更灵活、更迅速的调控手段，能让它们在不改变基因序列的前提下，实现所谓的表型可塑性（phenotypic plasticity），从而在极端环境下“死里逃生”。

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▲上图：这是一片珊瑚覆盖率极高的海底区域。珊瑚种类繁多，色彩斑斓，几乎完全覆盖了海底，为众多海洋生物提供了栖息地和食物来源。摄影：王敏幹（John MK Wong）2019年拍摄于印度尼西亚

 

 

海洋环境表观遗传学

 

通俗地说，如果把DNA序列比作一本生物发育的说明书，那么表观遗传机制（epigenetic mechanisms）就像是在书页上做的各种笔记、划线或贴上的便签。它并不改变说明书上的文字，却决定了细胞在特定环境下应该阅读哪些章节。

 

2026年2月27日，《海洋科学前沿》刊发的一篇综述指出，面对污染、海水酸化等压力，传统生态监测往往滞后，而表观遗传学可作为“早期预警系统”，在破坏发生前识别近海生态风险。来自巴西圣卡塔琳娜州立大学南区高等教育中心的分子遗传学实验室团队的这项研究重点介绍了三种主要的“笔记”方式：DNA甲基化（DNA methylation）、组蛋白修饰（histone modifications）以及非编码RNA（non-coding RNA）的表达。当近海生物（marine taxa）遭遇海水升温、缺氧或化学污染时，这些分子开关会在短短几小时内发生改变、调节基因的表达，以尝试维持生存。这种极高的灵敏度，让表观遗传标记成为了环境压力的“哨兵”，能够比传统的生化指标更早地捕捉到生物体内部的细微波动。

 

这项研究还揭示了一个现象：这些分子层面的调整具有一定的“记忆性”。生物在应对环境胁迫时产生的表观遗传改变，有时甚至能传递给下一代，从而影响种群在未来的适应轨迹。

 

对于那些基因组研究尚不充分的非模式海洋物种（non-model marine species）来说，虽然缺乏参考基因组一度让研究变得困难，但现在，高通量测序等技术的进步正让人类能够更清晰地观察这些生物的表型可塑性。这意味着，科学家可以分析这些分子的变化，来回溯生物过去经历过什么样的环境打击、并预测它们在未来气候巨变中的生存几率。

 

从实践层面来看，该综述强调了将这些分子指标纳入海洋生物监测框架的紧迫性。研究团队建议，像欧盟《水框架指令》（European Union Water Framework Directive）这样的管理体系，应当考虑引入表观遗传生物标志物作为评估工具，来能提高预警的及时性，并帮助环保部门在生态系统发生不可逆的崩溃之前，制定出更有针对性的保护计划。

 

（图文无关）▲上图：儒艮对海洋环境极其敏感，特别是水温升高、海草质量下降和水质污染（如重金属、噪声污染）都会直接影响其生存。海洋表观遗传学利用海水中漂浮eDNA、或生物体内的表观遗传标记，或能实时监测海洋环境中的化学胁迫因子及其对生物的影响。©Linda Wong 摄于阿布扎比 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

 

 

 

基因组之上的生命应激

 

在生命科学的研究范畴中，表观遗传学（Epigenetics）是一个极富魅力的领域。这个词源自希腊语前缀“epi”，意为“在……之上”，它研究的是那些不改变DNA碱基序列、却能改变基因功能的遗传变化。

 

如果说DNA序列是生命的硬件蓝图，那么表观遗传就像是在蓝图上留下的各种“标记”和“注脚”，它们决定了哪些指令该被执行、哪些该被暂时搁置。

 

这些“分子标记”对环境变化表现出极高的敏感性。目前已知的主要机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA。

 

DNA甲基化通常被视为基因的“沉默开关”，它通过在胞嘧啶上添加甲基基团来抑制基因活性，而这些基团的原材料主要源自生物的饮食。组蛋白修饰则像是一个精密的“松紧带”，它改变染色质的缠绕方式，决定了DNA是否能被读取。非编码RNA扮演着“现场监管员”的角色，它们不产生蛋白质，却能精准拦截、并降解特定的指令信息。

 

▲上图：论文出处：David, Ana Francisca dos Santos, et al.(2026)

 

 

这些分子机制，在应对海洋环境胁迫时发挥着关键作用。

 

例如，当海水温度骤升或遭遇重金属污染时，海洋生物会迅速动员起一套名为“热休克蛋白”（HSPs）的防御系统。这些蛋白质被称为“分子伴侣”，能够修复因压力而受损变形的其他蛋白质。这一过程的开启完全依赖于分子层面的快速感应：热休克因子在接收到信号后，会迅速进入细胞核并触发防御基因的读取。尽管这一机制在自然界中高度保守，但海洋生物往往同时面临缺氧、酸化和污染等多重打击，这种复杂性使得单一指标的监测变得极具挑战。

 

正因如此，科学家们开始尝试利用全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）和染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）等“黄金标准”技术，去捕捉这些隐匿的分子变化。在受污染的河口，贻贝的DNA甲基化模式会发生显著偏移，这种信号比肉眼可见的组织损伤要早得多。

 

在某些珊瑚物种中，应对酸化的表观遗传调整甚至具有跨代遗传的潜力。对于珊瑚和牡蛎等无法移动的固着生物而言，这种“表观遗传灵活性”是它们在不依赖漫长进化过程的前提下，实现快速适应和生存的最有力武器。

 

尽管这项研究在海洋生物监测中展现出巨大的潜力，但目前仍面临不少现实困难。研究人员指出，许多海洋物种缺乏高质量的参考基因组，且不同器官组织的表观遗传特征差异极大，这对采样和数据解析提出了严苛要求。

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▲上图：表观遗传时钟（Epigenetic Clock）是近年一个比较大的突破，利用微创取样可预测海龟的生物年龄（误差大概也就两、三年的样子）。传统上难以准确判断野生海龟的年龄，特别是成年海龟。已经有研究表明，基于DNA甲基化位点的表观遗传时钟模型能准确的预测绿海龟等物种的年龄，并且帮助科学家确定种群中成年海龟与幼龟的比例、评估种群是否在恢复、或衰退。©Linda Wong 摄影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

 

 

 

未雨绸缪——在生态崩溃前捕捉隐形预警

这项研究指出，表观遗传学为海洋生态系统的早期风险评估提供了一套极其灵敏的分子工具。科研人员可以分析海洋生物体内DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的变化，能够在生物表现出明显的生理损伤、或群落衰退之前，就提前捕捉到环境压力的微观信号。

 

这些分子层面的调整充当了生物体与外部压力——如重金属污染、海水酸化、缺氧以及热浪——之间的感应接口，揭示了生命在环境剧变下的调控韧性。将这些标记物引入生物监测体系，特别是整合进类似欧盟《水框架指令》这种强调生物效应的管理框架，能够识别出传统化学手段难以发现的亚致死影响，从而在危机爆发前精准锁定受损区域。

 

尽管目前仍需完善核心物种的参考基因组并标准化野外采样流程，但表观遗传标记正成为下一代环境评估的核心手段，将有效的服务于精准的海洋保护政策、应对气候变化。

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（图文无关）▲上图+本文头图：在江苏盐城东台条子泥滨海的浅水域和潮间带滩涂上，一群麋鹿正在涉水前行。©李东明 摄 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

 

 

 

 

感兴趣的“海潮天下”（Marine Biodiversity）读者可以参看该研究的原文：

David AFdS, Schmitz AJG, Garrote JP, Vitor MLS, Bueno LF and Herkenhoff ME (2026) Marine environmental epigenetics: mechanisms, stress responses and applications to biomonitoring. Front. Mar. Sci. 13:1771101. doi: 10.3389/fmars.2026.1771101

 

 

海洋环境表观遗传学（Marine Environmental Epigenetics）

海洋环境表观遗传学，是海洋生物学与表观遗传学的交叉前沿领域。它研究在不改变海洋生物DNA序列的前提下，外部环境压力（如海水升温、酸化或重金属污染）如何化学修饰来改变基因的“读取方式”。简单来说，如果DNA是生命的蓝图，那么，海洋环境表观遗传学研究的就是环境如何在这张蓝图上添加、或擦除“注释”，从而控制生物的生理表现。

这一学科的核心价值在于它的“实时性”、“灵敏度”。当近海生态系统遭受污染时，生物体往往在出现病变或死亡之前，其体内的表观遗传状态就已经发生了剧烈波动。所以上面的研究团队指出，监测这些分子层面的微观变化，可以建立一套远比传统手段更早的预警系统，在灾难发生前为管理部门赢得宝贵的干预时间。

 

DNA甲基化（DNA Methylation）

DNA甲基化（DNA Methylation），是海洋生物体内最重要的一种“基因开关”机制。它是在DNA分子的特定位置添加一个小的化学基团（甲基），从而抑制、或激活某些基因的表达。在海洋环境中，这种机制就像生物体应对外界打击的“快速反应部队”，能够在遭遇低氧或热浪后的数小时内迅速调整，帮助生物在极端条件下维持基本的生命机能。由于DNA甲基化对环境变化极度敏感且具有很强的特异性，它被视为一种极具潜力的“分子哨兵”。

 

表型可塑性（Phenotypic Plasticity）

表型可塑性（Phenotypic Plasticity）是指具有相同基因组的个体，在不同环境条件下表现出不同性状的能力。在气候快速变化的今天，生物仅仅依靠漫长的基因突变来适应环境，那就显然太慢了。表观遗传机制赋予了海洋生物强大的表型可塑性，让它们能够快速调整自身的生理状态，在不改变遗传基因的情况下，产生出适应恶劣环境的新“样貌”、或新功能。这种可塑性是海洋生命力的体现，也是种群能否在剧变中幸存的关键。这种调整有时甚至能通过“分子记忆”传递给后代，形成跨代适应。

 

 

思考题·拓展思维

 

Q1、这个研究提到表观遗传修饰具有跨代传递的潜力，这种“分子记忆”能让后代在面对父辈经历过的压力（如海水升温）时更具韧性。不过，这种快速的非基因适应是否会掩盖深层的遗传多样性危机呢？如果环境压力持续多变，这种基于过往经验的“预判性”修饰，会不会导致种群在面对全新的未知威胁时，反而没了进化的灵活性？你觉得，表观遗传的“分子记忆”，有没有可能变成物种演化的某种“双刃剑”？

 

Q2、表观遗传监测的“技术鸿沟”，会不会加剧全球海洋治理的不平等？对那些海岸线漫长、生物多样性又很丰富、但科研基础设施又很弱的发展中国家，这种高度依赖昂贵技术的监测模式，会不会造成全球海洋健康评估数据的严重失衡呢？而且，在缺乏本地物种参考基因组的情况下，如何实现普适化、又低成本的全球海洋监测？

 

Q3、接下来一个问题，是基于笔者在2月27日赴中国科学院植物所拜访了一位资深分类学家院士之后、恰好读到这篇文章，有所感慨和启发。考虑一下这个情况：传统分类学，关注的是经过千百万年自然选择固化下来的物种特征，这些特征，跟生态功能高度挂钩的。但，表观遗传修饰（如DNA甲基化）本质上，其实是极其敏感、又波动颇大的生化反应，它记录的往往是生物体在几个小时、或最多几天内那种对环境压力的临时性的反馈。那么，在复杂的近海环境中，一次潮汐变化、一次偶然的捕食压力、或季节性的营养盐波动，都是可能触发大规模的分子甲基化偏移的。你觉得，分子信号的“瞬时涨落”，就等同于真实的“生态功能”吗？若是仅凭这些瞬时的、可能具有自愈性的分子信号，就判定生态系统处于“亚致死损伤”或“崩溃边缘”，会不会极易产生大量的“伪警报”、导致环境管理资源的严重错配呢？

Q4、其实海洋中绝大多数物种，毕竟都还是非模式物种，都比较缺乏高质量的参考基因组、功能注释。那么，当某个新研究在高喊“某重金属导致了某位点的甲基化改变”（假设）时，其实一个基本事实是：人类甚至不知道那个位点在这一特定物种的生理过程中扮演了什么角色。那么问题来了。缺乏“因果功能验证”的“相关性描述”，在传统科学中，恐怕只能被视为假说，而非结论。在“基因组黑箱”面前，你觉得，关联性研究有没有可能透支科学信誉呢？

 

本文参考资料

 

 

 

https://www.frontiersin.org/journals/marine-science/articles/10.3389/fmars.2026.1771101/full

 

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资讯源 | David, Ana Francisca dos Santos, et al.(2026)

文 | 王芊佳

排版 | 卢晓雨

时间 | 2026年2月28日

海潮天下