海洋表觀遺傳學，正成為全球海域24小時預警機 | 海潮天下·前沿

本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

海潮天下·導讀

△ 表觀遺傳標記作為環境壓力的“哨兵”，靈敏度極高，在海洋生物遭遇海水升溫、缺氧或污染等脅迫后的數小時內，其體內的DNA甲基化（DNA methylation）等分子開關就會迅速發生動態調整，比傳統生化指標更早發出預警。

△ 海洋表觀遺傳機制，能在不改變DNA序列的前提下，賦予生物體在快速變化環境中的表型可塑性，甚至能將這種分子記憶跨代遺傳，幫助種群在氣候巨變中生存。

△ 歐盟的《水框架指令》（WFD）是目前世界上最完善、法律效力最強的環境管理體系之一。它除了關注化學污染的濃度，也強調“生物學評價”，即觀察生物的健康狀況，來評估水體質量。該研究建議將表觀遺傳生物標志物整合到歐盟WFD等管理體系中，利用其早期預警能力，在近海生態系統發生不可逆轉的退化或崩潰之前，為科學保護和干預決策爭取關鍵時間。

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出品 | 海潮天下

長期以來，科學家主要依靠觀察物種數量減少、群落結構崩潰、或者生物體出現明顯的病理特征，來評估環境質量是不是健康。但，這些宏觀層面的信號往往會帶有嚴重的滯后性。當人們發現海床上的貝類大量死亡、或是珊瑚礁變白時，往往悔之晚矣——生態系統的損傷通常已經到了難以挽回的地步。

傳統的生化監測指標，如測量生物體內的抗氧化酶、或應激蛋白，雖然比肉眼觀察更精細，但在面對復雜的污染環境時，往往缺乏特異性，難以準確判定環境壓力與生物反應之間的因果關系。而且，近海生態系統近年來也受到很大的人類活動的影響，如工業廢水導致的重金屬污染、農業徑流引起的富營養化、海水酸化等等，海洋生物在這種快速變化的環境中，僅僅依靠數萬年甚至更久的基因突變來產生進化適應，顯然已經跟不上環境惡化的腳步。

所以，科學家迫切要搞清楚，生物體是否存在一種更靈活、更迅速的調控手段，能讓它們在不改變基因序列的前提下，實現所謂的表型可塑性（phenotypic plasticity），從而在極端環境下“死里逃生”。

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▲上圖：這是一片珊瑚覆蓋率極高的海底區域。珊瑚種類繁多，色彩斑斕，幾乎完全覆蓋了海底，為眾多海洋生物提供了棲息地和食物來源。攝影：王敏幹（John MK Wong）2019年拍攝于印度尼西亞

海洋環境表觀遺傳學

通俗地說，如果把DNA序列比作一本生物發育的說明書，那么表觀遺傳機制（epigenetic mechanisms）就像是在書頁上做的各種筆記、劃線或貼上的便簽。它并不改變說明書上的文字，卻決定了細胞在特定環境下應該閱讀哪些章節。

2026年2月27日，《海洋科學前沿》刊發的一篇綜述指出，面對污染、海水酸化等壓力，傳統生態監測往往滯后，而表觀遺傳學可作為“早期預警系統”，在破壞發生前識別近海生態風險。來自巴西圣卡塔琳娜州立大學南區高等教育中心的分子遺傳學實驗室團隊的這項研究重點介紹了三種主要的“筆記”方式：DNA甲基化（DNA methylation）、組蛋白修飾（histone modifications）以及非編碼RNA（non-coding RNA）的表達。當近海生物（marine taxa）遭遇海水升溫、缺氧或化學污染時，這些分子開關會在短短幾小時內發生改變、調節基因的表達，以嘗試維持生存。這種極高的靈敏度，讓表觀遺傳標記成為了環境壓力的“哨兵”，能夠比傳統的生化指標更早地捕捉到生物體內部的細微波動。

這項研究還揭示了一個現象：這些分子層面的調整具有一定的“記憶性”。生物在應對環境脅迫時產生的表觀遺傳改變，有時甚至能傳遞給下一代，從而影響種群在未來的適應軌跡。

對于那些基因組研究尚不充分的非模式海洋物種（non-model marine species）來說，雖然缺乏參考基因組一度讓研究變得困難，但現在，高通量測序等技術的進步正讓人類能夠更清晰地觀察這些生物的表型可塑性。這意味著，科學家可以分析這些分子的變化，來回溯生物過去經歷過什么樣的環境打擊、并預測它們在未來氣候巨變中的生存幾率。

從實踐層面來看，該綜述強調了將這些分子指標納入海洋生物監測框架的緊迫性。研究團隊建議，像歐盟《水框架指令》（European Union Water Framework Directive）這樣的管理體系，應當考慮引入表觀遺傳生物標志物作為評估工具，來能提高預警的及時性，并幫助環保部門在生態系統發生不可逆的崩潰之前，制定出更有針對性的保護計劃。

（圖文無關）▲上圖：儒艮對海洋環境極其敏感，特別是水溫升高、海草質量下降和水質污染（如重金屬、噪聲污染）都會直接影響其生存。海洋表觀遺傳學利用海水中漂浮eDNA、或生物體內的表觀遺傳標記，或能實時監測海洋環境中的化學脅迫因子及其對生物的影響。?Linda Wong 攝于阿布扎比 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

基因組之上的生命應激

在生命科學的研究范疇中，表觀遺傳學（Epigenetics）是一個極富魅力的領域。這個詞源自希臘語前綴“epi”，意為“在……之上”，它研究的是那些不改變DNA堿基序列、卻能改變基因功能的遺傳變化。

如果說DNA序列是生命的硬件藍圖，那么表觀遺傳就像是在藍圖上留下的各種“標記”和“注腳”，它們決定了哪些指令該被執行、哪些該被暫時擱置。

這些“分子標記”對環境變化表現出極高的敏感性。目前已知的主要機制包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA。

DNA甲基化通常被視為基因的“沉默開關”，它通過在胞嘧啶上添加甲基基團來抑制基因活性，而這些基團的原材料主要源自生物的飲食。組蛋白修飾則像是一個精密的“松緊帶”，它改變染色質的纏繞方式，決定了DNA是否能被讀取。非編碼RNA扮演著“現場監管員”的角色，它們不產生蛋白質，卻能精準攔截、并降解特定的指令信息。

▲上圖：論文出處：David, Ana Francisca dos Santos, et al.(2026)

這些分子機制，在應對海洋環境脅迫時發揮著關鍵作用。

例如，當海水溫度驟升或遭遇重金屬污染時，海洋生物會迅速動員起一套名為“熱休克蛋白”（HSPs）的防御系統。這些蛋白質被稱為“分子伴侶”，能夠修復因壓力而受損變形的其他蛋白質。這一過程的開啟完全依賴于分子層面的快速感應：熱休克因子在接收到信號后，會迅速進入細胞核并觸發防御基因的讀取。盡管這一機制在自然界中高度保守，但海洋生物往往同時面臨缺氧、酸化和污染等多重打擊，這種復雜性使得單一指標的監測變得極具挑戰。

正因如此，科學家們開始嘗試利用全基因組亞硫酸氫鹽測序（WGBS）和染色質免疫共沉淀測序（ChIP-seq）等“黃金標準”技術，去捕捉這些隱匿的分子變化。在受污染的河口，貽貝的DNA甲基化模式會發生顯著偏移，這種信號比肉眼可見的組織損傷要早得多。

在某些珊瑚物種中，應對酸化的表觀遺傳調整甚至具有跨代遺傳的潛力。對于珊瑚和牡蠣等無法移動的固著生物而言，這種“表觀遺傳靈活性”是它們在不依賴漫長進化過程的前提下，實現快速適應和生存的最有力武器。

盡管這項研究在海洋生物監測中展現出巨大的潛力，但目前仍面臨不少現實困難。研究人員指出，許多海洋物種缺乏高質量的參考基因組，且不同器官組織的表觀遺傳特征差異極大，這對采樣和數據解析提出了嚴苛要求。

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▲上圖：表觀遺傳時鐘（Epigenetic Clock）是近年一個比較大的突破，利用微創取樣可預測海龜的生物年齡（誤差大概也就兩、三年的樣子）。傳統上難以準確判斷野生海龜的年齡，特別是成年海龜。已經有研究表明，基于DNA甲基化位點的表觀遺傳時鐘模型能準確的預測綠海龜等物種的年齡，并且幫助科學家確定種群中成年海龜與幼龜的比例、評估種群是否在恢復、或衰退。?Linda Wong 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

未雨綢繆——在生態崩潰前捕捉隱形預警

這項研究指出，表觀遺傳學為海洋生態系統的早期風險評估提供了一套極其靈敏的分子工具。科研人員可以分析海洋生物體內DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA的變化，能夠在生物表現出明顯的生理損傷、或群落衰退之前，就提前捕捉到環境壓力的微觀信號。

這些分子層面的調整充當了生物體與外部壓力——如重金屬污染、海水酸化、缺氧以及熱浪——之間的感應接口，揭示了生命在環境劇變下的調控韌性。將這些標記物引入生物監測體系，特別是整合進類似歐盟《水框架指令》這種強調生物效應的管理框架，能夠識別出傳統化學手段難以發現的亞致死影響，從而在危機爆發前精準鎖定受損區域。

盡管目前仍需完善核心物種的參考基因組并標準化野外采樣流程，但表觀遺傳標記正成為下一代環境評估的核心手段，將有效的服務于精準的海洋保護政策、應對氣候變化。

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（圖文無關）▲上圖+本文頭圖：在江蘇鹽城東臺條子泥濱海的淺水域和潮間帶灘涂上，一群麋鹿正在涉水前行。?李東明 攝 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

感興趣的“海潮天下”（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的原文：
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

海洋環境表觀遺傳學（Marine Environmental Epigenetics）

海洋環境表觀遺傳學，是海洋生物學與表觀遺傳學的交叉前沿領域。它研究在不改變海洋生物DNA序列的前提下，外部環境壓力（如海水升溫、酸化或重金屬污染）如何化學修飾來改變基因的“讀取方式”。簡單來說，如果DNA是生命的藍圖，那么，海洋環境表觀遺傳學研究的就是環境如何在這張藍圖上添加、或擦除“注釋”，從而控制生物的生理表現。

這一學科的核心價值在于它的“實時性”、“靈敏度”。當近海生態系統遭受污染時，生物體往往在出現病變或死亡之前，其體內的表觀遺傳狀態就已經發生了劇烈波動。所以上面的研究團隊指出，監測這些分子層面的微觀變化，可以建立一套遠比傳統手段更早的預警系統，在災難發生前為管理部門贏得寶貴的干預時間。

DNA甲基化（DNA Methylation）

DNA甲基化（DNA Methylation），是海洋生物體內最重要的一種“基因開關”機制。它是在DNA分子的特定位置添加一個小的化學基團（甲基），從而抑制、或激活某些基因的表達。在海洋環境中，這種機制就像生物體應對外界打擊的“快速反應部隊”，能夠在遭遇低氧或熱浪后的數小時內迅速調整，幫助生物在極端條件下維持基本的生命機能。由于DNA甲基化對環境變化極度敏感且具有很強的特異性，它被視為一種極具潛力的“分子哨兵”。

表型可塑性（Phenotypic Plasticity）

表型可塑性（Phenotypic Plasticity）是指具有相同基因組的個體，在不同環境條件下表現出不同性狀的能力。在氣候快速變化的今天，生物僅僅依靠漫長的基因突變來適應環境，那就顯然太慢了。表觀遺傳機制賦予了海洋生物強大的表型可塑性，讓它們能夠快速調整自身的生理狀態，在不改變遺傳基因的情況下，產生出適應惡劣環境的新“樣貌”、或新功能。這種可塑性是海洋生命力的體現，也是種群能否在劇變中幸存的關鍵。這種調整有時甚至能通過“分子記憶”傳遞給后代，形成跨代適應。

思考題·拓展思維

Q1、這個研究提到表觀遺傳修飾具有跨代傳遞的潛力，這種“分子記憶”能讓后代在面對父輩經歷過的壓力（如海水升溫）時更具韌性。不過，這種快速的非基因適應是否會掩蓋深層的遺傳多樣性危機呢？如果環境壓力持續多變，這種基于過往經驗的“預判性”修飾，會不會導致種群在面對全新的未知威脅時，反而沒了進化的靈活性？你覺得，表觀遺傳的“分子記憶”，有沒有可能變成物種演化的某種“雙刃劍”？

Q2、表觀遺傳監測的“技術鴻溝”，會不會加劇全球海洋治理的不平等？對那些海岸線漫長、生物多樣性又很豐富、但科研基礎設施又很弱的發展中國家，這種高度依賴昂貴技術的監測模式，會不會造成全球海洋健康評估數據的嚴重失衡呢？而且，在缺乏本地物種參考基因組的情況下，如何實現普適化、又低成本的全球海洋監測？

Q3、接下來一個問題，是基于筆者在2月27日赴中國科學院植物所拜訪了一位資深分類學家院士之后、恰好讀到這篇文章，有所感慨和啟發。考慮一下這個情況：傳統分類學，關注的是經過千百萬年自然選擇固化下來的物種特征，這些特征，跟生態功能高度掛鉤的。但，表觀遺傳修飾（如DNA甲基化）本質上，其實是極其敏感、又波動頗大的生化反應，它記錄的往往是生物體在幾個小時、或最多幾天內那種對環境壓力的臨時性的反饋。那么，在復雜的近海環境中，一次潮汐變化、一次偶然的捕食壓力、或季節性的營養鹽波動，都是可能觸發大規模的分子甲基化偏移的。你覺得，分子信號的“瞬時漲落”，就等同于真實的“生態功能”嗎？若是僅憑這些瞬時的、可能具有自愈性的分子信號，就判定生態系統處于“亞致死損傷”或“崩潰邊緣”，會不會極易產生大量的“偽警報”、導致環境管理資源的嚴重錯配呢？

Q4、其實海洋中絕大多數物種，畢竟都還是非模式物種，都比較缺乏高質量的參考基因組、功能注釋。那么，當某個新研究在高喊“某重金屬導致了某位點的甲基化改變”（假設）時，其實一個基本事實是：人類甚至不知道那個位點在這一特定物種的生理過程中扮演了什么角色。那么問題來了。缺乏“因果功能驗證”的“相關性描述”，在傳統科學中，恐怕只能被視為假說，而非結論。在“基因組黑箱”面前，你覺得，關聯性研究有沒有可能透支科學信譽呢？

本文參考資料
https://www.frontiersin.org/journals/marine-science/articles/10.3389/fmars.2026.1771101/full

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資訊源 | David, Ana Francisca dos Santos, et al.(2026)

文 | 王芊佳

排版 | 盧曉雨

時間 | 2026年2月28日

海潮天下

引用本文

王芊佳.DNA也有“記憶卡”？海洋表觀遺傳學，正成為全球海域的24小時預警機.海潮天下.2026-02-28

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