有关旅鸽

羽毛组成的河流

19世纪初,博物学家亚历山大·威尔逊(Alexander Wilson)正在美国肯塔基州旅行,突然间天空一片黑暗。他后来写道,这是“一场龙卷风,正要将房屋及周围的一切摧毁。”

然而,恢复理智之后的威尔逊发现,遮挡阳光的其实是巨大的旅鸽群。

许多早期探险家的日记中都记载了相似的情节。旅鸽会以大规模的群体横扫美国东部,以栗子和橡果为食。威尔逊凝视着遮天蔽日的旅鸽,试图估算出它们的数量。旅鸽群的宽度差不多有一英里,如同一条羽毛组成的河流,流动了超过4个小时。依据这些信息,威尔逊估计这群旅鸽的成员数量超过22亿。“一个令人难以置信的庞大种群,”他写道,“而且还很可能比实际数量低得多。”

1914年,由于工业规模的狩猎,旅鸽逐渐灭绝。马克·巴罗(Mark Barrow)在《大自然的幽灵》(Nature’s Ghosts)一书中指出,人类对这一繁盛的鸟类进行的物种灭绝带来了极大的心灵震撼,使整个世界意识到了大自然的脆弱。

由于旅鸽在现代生态学建立之前就已灭绝,科学家对它们的自然生活史知之甚少。我们所能依赖的资料,主要来自像威尔逊这样的博物学者撰写的报告——内容可以简单总结为:好大的旅鸽群!——以及博物馆中保存的少量填充标本。

不过,近几十年来一些研究者提出,旅鸽的历史比我们原先想象的复杂得多。1985年,考古学家威廉·纽曼(William Neumann)指出,在美洲原住民的考古遗址中并没有发现多少旅鸽遗骨。如果这种鸟类在数千年时间里都是遮天蔽日般繁盛,那应该是美洲原住民的重要食物才对。纽曼认为,19世纪的庞大种群并不能反映旅鸽数量的长期变化。

现在,科学家正利用新的DNA方法来解决这一难题。在博物馆中保存的一些填充标本上还存留着基因分析所需的材料。来自国立台湾大学的洪志铭及其同事在PNAS上发表文章称,他们在3只旅鸽标本的趾垫上获取了DNA信息。这些标本中有两只采自明尼苏达州,一只来自宾夕法尼亚州。他们最终成功提取了每只旅鸽标本上57%到75%的基因组信息。

有了这些DNA样品,科学家就能了解许多关于旅鸽的信息,如它们的祖先在历史上的数量大小。能做到这一点,得益于每个动物个体之间存在的基因差异。即使是拿两个人DNA中的胶原蛋白基因进行对比,也会发现极细微的差别。这是因为在基因传给后代的过程中会产生突变。

在大的种群中会出现许多变异,并遗传给后代;而在小规模的种群中,出现的变异数量就少得多,它们遗传给后代的变异基因也就更少。因此,在今天某个生物种群中的遗传变异可以作为估算历史上种群变化的线索。即使在某一时期,种群内的个体数量出现大规模增长,该种群也有可能只有较少的变异——因为其祖先的数量太过稀少。

严格地说,科学家并不能通过这种方法确定古代种群的真实规模。在每一代中,只有一部分个体能够进行繁殖,我们只能研究这一部分的遗传变异。科学家称这一群体的数量为“有效种群大小”。有效种群大小可以用来粗略地估计真实的种群大小(通常而言,有效种群大小大约是真实种群大小的十分之一)。

在开始测算有效种群大小时,科学家会比较大量个体中的某个特定基因。近年来,科学家发明了一个巧妙的反向技巧:通过分析少数个体中的多种基因来估计有效种群大小。如果这些基因中有许多与其他个体不同,就表明这些个体来自历史上的某个大规模的种群;而如果这些基因十分相似,则说明种群相对较小。

这一方法中最不寻常的一点是,通过比较每个基因从共同祖先那里产生突变的时间,科学家可以追踪某个种群大小随时间的变化。如果大多数基因变异可以追溯到某个特定时期,就表明当时的种群相对较小。2011年,沃尔卡姆基金桑格学院(Wellcome Trust Sanger Institute)的李恒和理查德·德宾(Richard Durbin)利用这一方法从6个基因组中重建了人类历史。他们发现,人类种群在大约5万到2万年前出现了急剧萎缩,之后又出现了极大的增长。

现在,洪志铭及其同事利用相同的方法对旅鸽种群进行了追踪。令人意外的是,他们发现旅鸽的有效种群大小长期的平均值仅为33万只个体。要知道,科学家曾估计旅鸽在19世纪时的数量在30亿到50亿之间。换句话说,这一有效种群大小比原先预计的低了1000倍。

这种不吻合预示着,旅鸽在某些历史时期中具有规模较小的种群。洪志铭等人在重建旅鸽种群历史时,发现其经历了非常大的数量变化。在大约12万年前,旅鸽数量丰富,但在2.1万年前,它们的数量急剧缩减。末次冰期之后,旅鸽的数量又有所回升,并在大约9000年前达到另一个峰值。在那之后,它们的数量开始缓慢下降。

这一变化曲线与冰河期的生态变化历史十分吻合。在大约12万年前,气候温暖,冰川处于最低值,森林广泛覆盖着北美大陆。到了2.1万年前,大片的旅鸽栖息地被冰雪覆盖,剩余的栖息地大多无法支持橡树和栗树的生长,导致旅鸽的食物大量减少。等到冰川退去,森林重新出现,旅鸽的数量才出现回升。

不过,洪志铭及其同事认为,这些长期的气候变化只能部分解释旅鸽的有效种群大小。他们提出,鸟类就像蝗虫,当食物供应丰富的时候会数量膨胀,而当情况恶劣时则出现崩溃(在现实中,蝗虫爆发时数量可以达到1000亿,但它们的有效种群大小只有约50万)。

在研究中,洪志铭及其同事得出了与纽曼相似的结论。19世纪的博物学家看到的庞大鸟群,其实并不是前工业时代北美大陆的固定风景。相反,威尔逊很可能只是碰上了一次旅鸽爆发事件。

甚至有可能是来自欧洲的殖民者引发了这场爆发。美洲原住民通过捕猎旅鸽、采集橡果和栗子等方式,使旅鸽的数量一直保持在低位。新来的欧洲人将原住民从原来的土地上赶走,从而使旅鸽的数量突然急剧增加——殖民者种植的庄稼也可能为旅鸽提供了食物。

在采集旅鸽DNA的过程中,研究者也在寻找将其复活的可能性。理论上,科学家可以利用近缘物种——如斑尾鸽(学名:Patagioenas fasciata)——的基因组,对旅鸽的DNA和特异性的突变进行基因工程处理。加州大学圣克鲁斯分校的本·诺瓦克(Ben Novak)在这个TEDx视频中就阐述了这一可能性。

洪志铭等人的研究(以及本·诺瓦克等人正在进行的类似研究)表明,科学家或许真的有可能将旅鸽重新带回世间。尽管在某些时期旅鸽的数量出现大幅下降,但在人类开始将枪口对准它们之前,它们已经在地球上生存了数十万年。

另一方面,如果我们成功地复活旅鸽,它们的种群大小也不一定会保持稳定。如果条件合适,它们有可能膨胀到惊人的数量;而如果环境条件不利,如出现气候变化等,那它们的数量有可能再次下降。这种曾经遮天蔽日、被人形容为龙卷风的鸟类,其实也是紧密依赖于生态系统的脆弱物种。

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文章编译自

The Feathered River

洪志铭等的文章:

Drastic population fluctuations explain the rapid extinction of the passenger pigeon

克雷格·文特:DNA和海洋

TED中国粉丝团链接:http://www.tedtochina.com/2009/08/10/craig_venter_on_dna_and_the_sea/

译言网链接:http://www.yeeyan.com/articles/view/47933/53419

演讲人克雷格·文特(John Craig Venter)是一位生物学家和企业家。 TIME《时代》杂志在2000年7月將将他与人类基因组计划的代表佛兰西斯·柯林斯(Francis Collins)同时选为封面人物,又在2007年将他选为世界上最有影响力的人之一。在国际人类基因组计划(以下简称“国际计划”)启动八年后的1998年,克雷格·文特创办了塞雷拉基因組(Celera Genomics)公司,以商业公司的形式开展自己的人类基因组计划,并希望将研究成果申请专利,并对外界收费。2000年美国总统克林顿宣布所有人类基因组数据不允许专利保护,必须对所有研究者公开,塞雷拉不得不将数据公开。

在2002年离开塞雷拉公司后。2005年,克雷格·文特与其他人合伙建立了合成基因組公司(Synthetic Genomics),专门以经过改造的微生物来生产替代燃料的乙醇(酒精)与氢。他的研究小組有一艘由遊艇改裝成的研究船“巫师二号”(Sorcerer II),专门研究海洋微生物。

在2005年的TED大会上,克雷格·文特讲述了与海洋有关的DNA研究故事。

演讲题目:DNA和海洋
演讲人:克雷格·文特(John Craig Venter)
演讲时间:2005年TED大会

                              

中间休息的时候,有几个人来问我对老龄化的看法。我的看法只有一个,那就是,我认为乐观主义者会比悲观主义者活得长久得多。(笑声)

 

接下来18分钟里,我想与大家分享的是:我们是如何做到,从最初的阅读遗传编码,转换到现在我们开始自己编写这些编码。仅仅在十年之前的这个月,我们发表了第一个自由活动的生命体——流感嗜血杆菌(haemophilus influenzae)——的基因序列。该基因组项目原本预计需要13年,结果缩减到了4个月。现在,同样的基因组项目只需要28个小时即可完成。因此在上一个十年里,我们得到了大量的基因组序列:大多数人类病原体,数种植物,多种昆虫和哺乳动物,包括人类的基因组。基因组学发展迅速,从测序的基因组来看,十年前我们仅仅完成了三到五个,到如今已完成了数百个。我们刚刚从戈登贝蒂·摩尔基金会(Gordon and Betty Moore Foundation)获得一笔资助,作为环境有机体项目的副项目,我们将在今年完成130个基因组的测序。综上所述,阅读遗传编码的速率已经改变。

 

但我们还需看到,我们仅仅研究了这个星球表面上很少部分的生物而已。大部分人不会意识到微生物的存在,因为他们的肉眼看不见,但事实上,微生物占据了地球大约一半的生物量,而所有的动物加起来,也不过占地球总生物量的千分之一。牛津大学的人也许很少这么干假设你到了海上,喝下一口海水,请记住:每一毫升的海水里,有大约一百万的细菌和上千万的病毒。

两年前,只有不到五千种的微生物被鉴定归类,我们决定在这方面做些努力。于是我们开始了巫师二号考察(Sorcerer II Expedition)。与其他大型的海洋考察活动类似,我们尝试每200英里采样一次。考察伊始,我们在百慕大进行了测试项目,接着前往哈利法克斯,然后沿美国东海岸向南,加勒比海,巴拿马运河,穿过加拉帕戈斯群岛,然后横跨太平洋,现在我们正在穿越印度洋的过程中。工作很艰难。我们使用的是一艘帆船,某种程度上这是为了激起年轻人对科学研究的兴趣。至于实验,那是再简单不过了。我们只需要把海水采上来,过滤,用不同的过滤器收集不同体积的生物体。然后将它们的DNA提取出来,带回位于罗克韦尔的实验室,在那里我们每24小时就可以测序出数亿字符的遗传编码。通过这些工作,我们取得了一些令人惊奇的发现。

 

比如我们眼睛里的视色素,之前认为自然界中只有一到两种生物拥有与我们相同的视色素。然而后来发现,在温暖洋区的上层海水中,几乎每个物种都拥有这类光受体,并利用阳光作为能量来源和交流工具。仅仅在一个采集点,从一桶海水中我们就能发现130万个新基因,相当于50000来个新种。

 

借助来自斯隆基金(Sloan Foundation)的资助,我们已经将研究范围扩展到空气中。我们正在测算每天我们的呼吸中,究竟有多少的病毒和细菌在穿梭来回,特别是在飞机或封闭的礼堂环境中。我们使用一些简单的仪器,一天之内,就在纽约市的一个楼顶上滤出了数以十亿计的微生物。目前,我们正在对它们进行DNA测序。

 

单纯从数据收集方面,在加拉帕戈斯群岛,我们发现,几乎每隔200英里采集的样品中,都能体现出海洋中巨大的(生物)多样性。不同的温度梯度或许可以部分解释这种多样性。这里有一张基于温度的卫星图片,红色表示温暖区域,蓝色表示冷的区域。我们发现,在温暖海水中取得的样品与冷水中的样品在物种丰富度上差别很大。另一个让人感到相当惊奇的发现是,我们可以通过氨基酸的序列——不同的区域差别巨大——来推测不同的光受体感受到的是何种波长的光。还有一个或许不足为奇的现象,在幽蓝的深海中,光受体倾向于“看”到蓝光。而当周围环境中存在大量的叶绿素时,光受体“看”到的是较多的绿光。光受体(感光)的差别更大,极端情况下,它们的感光谱移向红外光和紫外光。

 

为了对我们采集的所有基因进行评估,我们把所有的数据汇总。其中包括到目前为止考察所得的所有数据,总共2900万个基因,代表了地球上超过一半的基因数据。我们把这些数据放入基因家族中,试图回答:我们是否发现了已知基因家族的新成员?或者发现了新的基因家族?结果表明,我们找到了50000个主要的基因家族,但我们从环境中获得的每一个新样品都以线性方式添加到这些新家族中。因此,我们正处在发现地球生命及其组成成分和基础基因的最初阶段。

 

当我们审视所谓的进化树时,可以看到人类就在最右上方的角落里,与动物界排在一起。它们总共拥有约2900万个基因,我们只掌握了其中大约24000个。如果把所有的动物算在一起,我们与它们之间分享着少于30000,但很可能达到12000个以上的基因家族。我认为,这些基因不仅仅是进化设计的元件。我们要从“基因中心观点”——或许回到理查德·道金斯的理论——而非“基因组中心观点”的角度来思考,后者是对这些基因元件进行不同的构造。

 

合成DNA,人工合成DNA的能力与DNA测序在某种程度上是同步发展的。过去十年或二十年,DNA测序变得越来越快速和廉价。有关合成基因组的想法是我们在1995年,测序第二个基因组即生殖道支原体(mycoplasma genitalium)的基因组的时候产生的。我们还制作了很不错的T恤,上面写着“I heart my genitalium”(我爱惜我的生殖器)。这其实只不过是一个微生物,却拥有约500个基因。嗜血杆菌(Haemophilus)拥有1800个基因。我们提出疑问,如果一个物种需要800个基因,另一种只需要500个基因,是否可以用更少的基因组成一个微小的可运作生命系统?

 

于是我们开始做转座子的突变发生。转座子是小的DNA片段,随机地插入遗传编码中。如果转座子插入到基因之中,就会扰乱基因的功能。因此我们找出所有能够接受转座子插入的基因,称为“非必需基因”,并为它们做了一张“地图”。但是,环境对此的影响非常关键,我们只能根据环境中确实存在的条件来定义必需或非必需的基因。我们还试图做一个更加直观的研究,即比较13个相关生物的基因组,找出它们的共同之处,于是就得到这些重叠的圆圈。我们发现这13生物中只有173个基因是相同的。如果忽略掉一个细胞内寄生物的话,这个基因库还能扩展一些;当我们审视核心的一组310个基因时,基因库扩大更多。因此,我们认为可以将基因组从最少500个基因扩展或者缩小——取决于你看待它的角度——到300400个。

 

证明这些想法的唯一途径就是用这些基因人工构建一个的染色体,而且我们必须用基于表达框的方式来达到这一目的。大片段精确合成DNA是非常困难的。我的同事汉姆·史密斯和克莱德·哈奇森研究出了一种新方法,可以在两星期的时间里合成一个具有5000个碱基对的病毒,而且从序列和生物学特性上百分之百精确。这是个相当令人振奋的实验:我们只需将合成好的DNA片段注入细菌中,突然间,DNA开始引导病毒颗粒的生成,接着这些病毒反过来杀死了细菌。这并不是第一个合成的病毒——某种脊髓灰质炎病毒已在一年前制造出来——却是唯一一个具有百分之一活性的病毒,花了三年时间才合成成功。这是Phi X-174结构的动画。这是软件为自己构建硬件的活例子,也是我们在生物学上的新想法。

 

有人立即开始担心生物战争的威胁,不久前我也在参议院委员会和另一个由美国政府成立,旨在评价这一领域的特殊委员会上作证。我觉得,重要的是将事实牢记在心,而非人们对事件如何发生的想象。基本上,任何现在已经测序完成的病毒,其基因组都能被合成。人们马上会被埃博拉病毒或者天花病毒所惊吓,但实际上DNA本身并不会导致感染。安全部门真正应该担心的是“设计者病毒”(designer viruses)。世界上只有美国和前苏联曾经花大力气研究生物武器。如果这些研究真的已经终止,那么未来人为制造出破坏性病毒的几率是微乎其微。

 

我认为两年内制造出单细胞生物是可能的。而真核细胞,则有可能在十年内实现。我们可以区分开进入人工染色体中的不同表达框和不同基因,这使得我们能够构建数十个不同的结构。关键是,如何把其他的(基因)放进来?我们以这些片段开始,然后通过同源重组将其组合到染色体中。

 

这是一种名为耐辐射奇异球菌的生物,它能在三百万拉德的辐射剂量下保持活力。在暴露辐射约1224小时,其染色体几乎完全破碎的情况下,它还能将自身的染色体重新组装起来。这种生物在地球上几乎无处不在,甚至由于人类的活动,它们也可能在外太空活动。这是玻璃烧杯在约50万拉德辐射下的情形,玻璃开始燃烧,爆裂,而位于烧杯底部的微生物仍然是不亦乐乎。这就是实际情形的图片:上面是经过170万拉德辐射之后的染色体,几乎已经支离破碎。下面是24小时之后,同一个DNA自动重组的结果。真是令人叹为观止。这些生物能够做到的,也许我们还能找到数以千计——如果不是数以万计的话——的物种也同样能够做到。这些基因组合成之后,第一步就是移植到另一个没有基因组的细胞里。

 

我们认为,合成细胞将具有巨大的前景,不仅仅是在理解生物学基础上,而且很可能帮我们应对环境和社会问题。例如,我们测序的第三种生物,詹氏甲烷球菌(Methanococcus jannaschii),它生活在相当于水沸点的高温中,以氢作为能量来源,靠捕获周围环境中的二氧化碳为自己提供所需的碳。我们知道,通过许多不同的途径,数以千计的生物能够捕获,并且依赖二氧化碳生存。因此,我们可以通过捕获大气中的碳,制造生物高聚物或其他产品,来替代从石油中工业合成得到的碳制品。有种依赖一氧化碳生存的生物,我们利用其还原能力使水分子破裂,制造出氢和氧。同样,还有许多生物代谢途径能够用来转化甲烷。杜邦公司(DuPont)和挪威石油公司(Statoil)有一大型项目,内容便是将从油气田获得的甲烷转化成有用的产品。

 

我想,一个称为“组合基因组学”的领域将很快就要诞生。因为有了这些新的合成方法,有了这么庞大的基因序列和同源重组,我们可以设计出一个能每天生产近百万个染色体的机器人。由此,就像所有生物学实验过程一样,我们可以通过屏幕进行选择,无论是要制造氢,还是制造化学物质,抑或仅仅了解其生存能力,都可以从屏幕上获得。理解这些基因的功能将变得触手可及。

 

我们正尝试改进光合作用,以直接在阳光下制造出氢。光合作用受氧调节,而我们使用的对氧不敏感的氢化酶,将完全改变这一过程。我们还整合了多种纤维素酶,这些酶可以把复杂的糖类转化成简单的糖类,并在同个细胞中进行发酵,制造出酒精。在某些大型实验室里,已经开始利用微生物进行药品生产。环境中化合物的化学性质,比最好的化学家制造出来的化合物还要复杂很多。也许未来的工程物种将成为我们的食物来源、能量来源、环境补救手段,甚至取代石化工业。

 

最后,就让我以道德和政策上的研究结束吧。我们推迟了1999年开始的实验,直到对是否应该尝试制造人工物种这一问题做了长达一年半的生物伦理学讨论之后,实验才继续进行。每个重要的宗教都参与其中。这其实是项很奇怪的研究,因为许多宗教领袖都以他们的教义、经文作为法律,而且不能在其中找出禁止制造生命的条文,所以,这应该没什么问题。唯一根本性的担忧是在生物武器方面,不过,只有开始进行这些实验之后,我们才能找出从事这一切真正是为了什么。

 

目前,斯隆基金会已经资助了一个相关的多机构研究,以确定这些实验给社会带来的风险和益处,同时也为科学团队——好比我们自己——在这一领域开展研究制定规则。在潜心研究的同时,我们正努力成为一个良好的榜样。有许多复杂的议题,除了生物恐怖主义,它们其实都很简单:我们能否设计出生产清洁能源的工具,从而彻底变革发展中国家的能源生产模式?而这样的新生产方式,将会通过各种不同的简单的步骤来完成。非常感谢。