红外辐射是人类肉眼不可见，但却在自然界中广泛存在的一种能量形式。利用红外成像这一新技术，人类可以在黑暗的环境中看到目标物体，该技术已经被广泛地应用于军事、医学、工业、安全防护等领域。然而，这项技术并非人类首创，早在几亿年前，蛇类就进化出了红外感知能力，而且独立进化了三次，蛇类是少有的具有红外成像能力的生物类群，能够感知到微妙的温度变化，被称为蛇的“第六感”。

蛇类奇妙的红外感知能力一直引发众多科研工作者的探究。已有的研究表明，蛇类能够进行红外成像，得益于它们特殊的红外感觉器官：颊窝或唇窝，它们是红外信号接收器官。颊窝和唇窝内部有对红外线敏感的感热细胞分布，温度变化能刺激细胞产生神经冲动，通过三叉神经传递至大脑并对信息进行编码和分析，产生完整影像（图1）。这种感受机制能使部分蛇类拥有类似于热成像的能力，在黑暗环境下实现捕猎和避害。目前，对于哪些关键基因和位点参与红外感知过程仍不清楚，特别是对信号传导和处理过程中所涉及的分子机制问题。

图1. 两类红外感知蛇（以缅北原矛头蝮和安哥拉蟒为例）的头部构造示意图

近日，安徽师范大学陈进民老师团队，联合三峡大学邹大虎博士等在英国皇家学会的旗舰刊物Proceedings of the Royal Society B：Biological Sciences（简称：Proceedings B；生物学TOP期刊）上在线发表了题为“Comparative genomics sheds new light on the convergent evolution of infrared vision in snakes”的研究论文。

该研究对具有红外感知能力蟒蛇的重要外群种闪鳞蛇（Xenopeltis unicolor）进行了de novo测序，获得了高质量的基因组，在此基础上，结合其它8种蛇类的基因组数据，通过系统的趋同进化分析，分别从蛋白编码基因和非编码保守序列两个角度，共同揭示了蛇类红外感知趋同进化的分子机制。研究结果显示，TRPA1基因共有9个位点发生了趋同进化（图2a），这些趋同位点可能是感知红外信号能力的关键突变。进化速率分析发现，TRPA1基因在蛇类中发生了两次加速进化，分别是蝮亚科祖先枝和蚺进化枝（图2b）。此外，该研究还在另外一个热感知基因TRPM2中发现了两个趋同位点，K106N和E446D（图2c）。

图2. 热反应相关基因的趋同氨基酸替换

红外感知本质上是一种视觉，红外信号最终和常规视觉信号在视觉中枢进行了整合。在常规视觉系统的基础上，红外感知蛇类进化出了独特的三叉神经分支以及专门负责分析红外信号的神经元。在该研究中，作者发现了多个与视神经、三叉神经发育相关的基因在编码区或者调控区发生了趋同进化（图4a）。其中，DCC基因附近共鉴定出10个CNE，其中4个发生了趋同加速（图3）。DCC是轴突导向过程中的关键受体，能够识别并结合轴突导向因子netrins-1，从而调控轴突向外生长及融合（图4b）。

图3. 红外信号的转导途径及相关基因

图4. 红外感知蛇中保守非外显子元件的趋同进化

本研究揭示了不同红外感知蛇类在多个维度上发生了趋同进化，包括氨基酸序列、基因序列、基因功能和非编码区域，这些变化使得不同蛇类能够利用和发展红外视觉，本研究提升了我们对蛇类红外感应演化驱动因素的认识，对仿生学和疾病学研究具有启迪。

安徽师范大学陈进民副教授、李冰欣特任副教授为该论文的共同通讯作者，三峡大学邹大虎博士、安徽师范大学黄松教授为该论文的共同第一作者。加拿大多伦多大学、中国科学院昆明动物研究所等学者参与了该项研究。该工作得到国家自然科学基金（32200340, 31900323和32001222）等项目支持。

原文链接：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2024.0818