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重繪犀牛家譜,有一個意外發現!

來源:中國科學報 字號: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

  犀牛是一類高度瀕危的動物,它們的演化關系一直讓科學家感到非常困惑。

  今天的犀牛只分布在亞洲和非洲,現存5個物種,從形態上可以分為雙角犀牛和獨角犀牛兩大類。令人費解的是,非洲的2種犀牛——白犀牛、黑犀牛,以及亞洲的蘇門答臘犀牛都屬于雙角犀牛;而另外2種亞洲犀牛——爪哇犀牛和印度巨角犀牛則都是獨角犀牛。

  住得近的,長得不像;住得遠的,反倒“遙相呼應”,這是怎么回事?

  8月24日,《細胞》上線的一篇論文解析了犀牛家族的進化史。而這項研究的一個意外發現,為人類保護極小種群生物提供了新的思路。

  東尋西覓“找”犀牛 

  在漫長的演化史中,犀牛科至少出現過幾十個物種,在非洲大陸、亞歐大陸乃至北美大陸都有分布。然而更新世前的犀牛類群發生過大規模的物種滅絕,就像一幅完整的拼圖,只剩下七零八落的幾個板塊。

  “這讓我們很難依據現生犀牛的地理分布和性狀特征推演出犀牛類群可靠的演化關系。”論文第一作者兼通訊作者之一、中國農業大學副教授劉山林對《中國科學報》說,“事實上,多次生物大滅絕造成生物類群連續性證據的缺失,是目前生物演化歷史研究中的普遍難題。”

  來自中國農業大學、丹麥哥本哈根大學以及瑞典斯德哥爾摩大學等機構的多國學者決定挑戰這個難題。

  他們從南非的自然保護區獲得了黑犀牛的樣本,從美國圣迭戈動物園獲取了印度巨角犀的樣本;對現存僅剩幾十頭的蘇門答臘犀牛,他們從一頭剛剛去世的個體身上取樣;對同樣徘徊在滅絕邊緣的爪哇犀牛,他們的采樣來自挪威國家歷史博物館珍藏的標本;白犀牛的數據則來自已發表的文獻。

  除了5種現生犀牛外,研究人員還從俄羅斯一些博物館收藏的晚更新世化石中獲取了3種已經滅絕的古犀牛(梅氏犀、齒板犀、披毛犀)樣品。

  來自超過五萬年前的古DNA樣品以及基因組大數據分析,為解析犀牛的演化歷史補充了關鍵的缺失數據。

  研究結果顯示,現生犀牛的祖先在約1600萬年前最早分化為非洲和亞歐大陸兩個支系,現存的亞歐支系同時包括獨角犀牛及雙角犀牛。

  本研究的完成,有賴于全球超過30家研究機構的合作,研究學者有著多元化的知識結構和背景。劉山林說,“這也讓我們看到,‘大數據’可以作為將不同領域內專家串聯起來的樞紐,推動跨學科合作,去解答一些過去難以回答的科學問題。”

  “瓶頸”里的犀牛,還值得保護嗎? 

  在研究中,大家還發現了一個出乎意料的現象:早在數萬年前,犀牛的遺傳多樣性就遠遠低于大多數哺乳動物,僅僅比現存犀牛的遺傳多樣性稍高一點。

  “這很耐人尋味。”劉山林說,“我們通常認為,犀牛遺傳多樣性水平低是由于近百年來人類活動的干擾導致的。但數據顯示,早在人類活動開始過度干預犀牛生存之前,這種動物已經維持了很長時間的小種群規模,現存的犀牛很可能已經適應了小種群的特征。”

  進一步研究發現,相較于古犀牛,現存犀牛物種的有害突變比例顯著較低。“這可能是因為現生的犀牛種群通過群體遺傳選擇,已經盡量多地清除掉了有害突變,以保證其小種群的健康。”劉山林說,“我想這在一定程度上增強了我們對保護犀牛這一瀕危物種的信心。”

  “這個發現有著非常重要的意義。”中國農業大學教授周欣告訴《中國科學報》,很多珍稀動物都經歷過極小瓶頸期,比如現存所有的朱鹮,都是當初在陜西洋縣發現的7只朱鹮的后代。

  “對這些動物的保護,科學界一直存在爭議。”周欣說,“因為按照傳統觀點,這些物種極度缺乏遺傳多樣性,本身已經非常脆弱。甚至有人認為不應當傾斜過多資源去保護它們。”

  而本文的發現則顯示,至少有一些生物能在遺傳多樣性很低的情況,依然良好地適應生存環境。“不僅犀牛是這樣,獵豹、山地大猩猩等物種也存在同樣的現象。”周欣說,“這也提示我們,在開展保護工作的時候,不應該放棄這些遺傳多樣性較小的物種。”

  周欣本人并未參與這項研究,但在劉山林加入他的團隊后,他們希望能采用相關研究方法和技術路線去研究昆蟲等其他動物類群。

  藏在博物館里的線索,大有可為 

  研究人員表示,古DNA和基因組學研究方法與經典的博物館館藏樣品相結合,在研究物種演化和保護方面具有廣闊的應用空間。

  隨著分子生物學技術,如無損標本的核酸提取、高通量測序技術及生物信息工具的發展,人們可以利用博物館標本解決越來越多的演化問題。正如周欣所說,“這些標本定格的不僅是動物的形態,更有很久很久以前的遺傳信息。”

  “對瀕危動物而言,基因組承載了其演化歷史的關鍵信息,是極其寶貴的遺傳資源,也是極其寶貴的研究資源。本研究很好地體現了基因組學在研究物種演化歷史和物種保護方面的優勢。”未參與這項研究的中國科學院院士、中科院動物研究所研究員魏輔文如此點評。

  “任何一個物種的滅絕都是數百萬年演化歷史信息的丟失。而館藏標本所攜帶的遺傳信息能夠被現代基因組學方法解密,為理解古老的演化機制帶來新的機遇,讓我們有機會了解生物在漫長的演化歷史過程中關鍵特征的變化,同時也為我們提出合理的保護策略提供科學數據的支持。”魏輔文說。

  相關論文信息:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00891-6

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