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物种的故事

冯杰

2024年05月20日 02:47

梁前进
光明日报( 2024年05月02日 07版)

近来,常有发现新物种的消息见诸媒体。例如,安徽大学、南京师范大学、中国科学院成都生物研究所等单位的研究者日前在国际学术期刊《动物》上,发表了一种“喜欢咬人”的壁虎新物种。这一物种被命名为“大别山壁虎”,发现于大别山地区的安徽省和河南省交界处。通过线粒体DNA片段信息比对并结合主成分分析和单因素方差分析,发现该物种处于生物进化(生物演化)中的独立支系,在形态上与近缘种铅山壁虎差异显著。其特征性形态标志有四肢上的疣鳞、较多的肛前孔和较多的眼耳间疣鳞等。这一发现使壁虎属的记录数量增至87种,使我国壁虎物种记录数量增至22种。有估计,我国平均每年发现的植物新物种就有大约200个,占全球年增新植物记录种数的约10%;仅在2022年我国的脊椎动物名录中就新增100多种。物种多样性是保持、保护地球环境的重要基底。那么物种是如何演化的?物种又为何如此重要?

1 物种演变,生物进化的基本途径

地球上的物种值得年年数、月月数、天天数吗?绝对值得。

物种(简称种),是生态环境大家园中具有典型的独一性的成员。就像我们的家人,每天晚饭时有一位不见回来就要惦记。一个严格意义上的物种是走上进化不可逆路径上的“家庭成员”!因何不可逆?一个遗传学物种是一组生殖隔离的种群(同一时间内在一定自然区域内生活的同种生物的全部个体),其成员与其他物种成员之间不能杂交或不能成功杂交。这就是说物种间的基因库(一个生物群体中全部个体的所有基因总和)出现了遗传上的隔离(交流障碍),物种自己的“血脉”只能由其本身延续;一个物种绝灭后,就不会再“回到”世间;生物演变、分化出新物种后,就不会再回复到祖型(即使是“返祖现象”,也只涉及生物体的少数特殊特征)。

根据现代达尔文进化理论(现代综合进化论),生物进化(简称进化)的基本单位是种群,进化的源泉是遗传变异(包括基因、染色体〔基因的载体〕突变和由杂交实现的基因重组,变异产生多样性),自然选择是进化的主要动力,(生殖)隔离导致新物种的形成(物种起源)。

不难看出,物种演变是进化的基本途径。生物和环境间协同进化,从平衡到不平衡,又达到新的平衡,不断推动生物界的发展。生物的主要分类单位是界、门、纲、目、科、属、种,例如苹果就是被子植物门、双子叶植物纲、蔷薇目、蔷薇科、苹果属内的一个物种。种以下还可分为亚种、变种等。物种是小进化(种内进化,如变种或亚种的形成)的终点,又是大进化(种上进化,如科、属的发展)的起点。

2 独特的物种,各怀“绝技”

作为生物分类的基本单位,每个物种均在自然界占据独特的生态位(生态龛)。就重要性来看,甚至可以说是若干重要物种为人类提供了基本生存条件——小麦、水稻、玉米、大豆等作物,猪、牛、羊、马等牲畜,以及鸡、鸭、鹅、鸽等禽类。在此,笔者要介绍一种独特的昆虫——果蝇。这种仅毫米级长度的昆虫,是诺贝尔奖的“常客”!

在双翅目昆虫中,有果蝇科,科下有果蝇属。被简称为“果蝇”的是自然界的常见物种——黑腹果蝇。黑腹果蝇的雌虫较雄虫稍大,腹部背面有5条黑色条纹;雄虫腹部背面只有2窄1宽的3条黑色条纹,且腹部末端稍圆,宽条纹延伸至腹面,第一对足的第一个跗节上有形如梳子的性梳。

为在孟德尔遗传规律基础上有所发展,美国遗传学家摩尔根开始养殖这种生育能力强大的昆虫。野生型果蝇的复眼(由许多小眼组成)是红色的。1910年5月,摩尔根的实验室里出现了一只白眼雄果蝇。摩尔根上下班携带这只果蝇往返于实验室和家里进行培养、研究。他将这只果蝇与另一只红眼雌蝇杂交,产生了1000多只后代个体,全是红眼的;让一只白眼雌蝇与一只正常的(红眼)雄蝇交配,结果后代中雄蝇全部为白眼的,而雌蝇中却都是正常的红眼类型——红白眼基因的遗传与性别关联,以此发现了基因处于性染色体上的伴性遗传。在摩尔根团队的努力下,基因定位于染色体上,同一对染色体上的基因(即相互连锁的基因)可以因染色体片段的交换而发生重组的规律得以证明和阐述,从而继孟德尔的基因分离定律、自由组合定律之后,诞生了遗传学的第三个经典定律——基因的连锁与互换定律。摩尔根将研究成果汇集于其著作《基因论》(1926年出版)之中,并获得了1933年的诺贝尔生理学或医学奖。

在摩尔根研究成果的基础上,他的学生缪勒也希望借助很容易培养的果蝇来揭示遗传、变异之谜。例如,他发现了弯曲翅突变体果蝇,并确定相应的基因在摩尔根预言但尚未观察到的第Ⅳ对染色体上。为深入探究变异体,缪勒想出了妙招——把果蝇放在伦琴射线(X射线)下照射,结果在短时间内即得到了数百个突变体;高剂量X射线能使果蝇的突变率提高100多倍,为杂交育种和遗传变异研究提供了良好的基础。缪勒作为辐射遗传学的创始人,荣获了1946年的诺贝尔生理学或医学奖。

果蝇的“诺贝尔奖之路”,还在继续。路易斯、沃尔哈德和威斯乔斯以果蝇为材料,揭示了早期发育的遗传机制,获得了1995年的诺贝尔生理学或医学奖;2004年的诺贝尔生理学或医学奖颁给了动物嗅觉系统的研究者阿克塞尔和巴克。研究表明,果蝇的早期嗅觉系统与小鼠非常相似,因此这两种动物被阿克塞尔和巴克用作模式生物。2011年,比特勒、霍夫曼和施坦曼因揭示免疫反应的激活机制共享了这一年的诺贝尔生理学或医学奖。其中霍夫曼等科学家研究了果蝇的抗感染机制,发现一种蛋白质能够识别致病性微生物,推动了免疫系统激活机制的研究。2017年,获得诺贝尔生理学或医学奖的是霍尔、罗斯巴什和迈克尔·扬,他们在生物钟分子机制研究方面成果卓著。他们在果蝇中发现一种基因,这种基因控制着日常的生物节律。该基因编码的蛋白质于夜间聚集在细胞内,而在白天被降解,如此产生生物钟效应。

如今,果蝇早已成为生物学、医学、生态学等相关研究中的重要模式物种。果蝇生命周期短(仅12天左右),个体小,容易培养、繁殖,染色体少而便于遗传操作,且突变体多。可以看出,从摩尔根精心呵护的那只白眼雄果蝇开始,果蝇这种物种的研究几乎贯穿了整个生命科学类科研的探究历程,为生物的遗传、发育、生理和人类健康、疾病等方面的研究立下了汗马功劳。

3 饮食、健康和文化,离不开特异的物种

说完科学研究,我们回到日常生活。中华民族的传统文化和血脉延续,离不开数不清的独特物种。

我们来说说四大怀药(怀山药、怀菊花、怀地黄、怀牛膝)之一的怀山药。山药即薯蓣,又称山芋、土薯和山薯等,属于被子植物门、单子叶植物纲、百合目、薯蓣科、薯蓣属的一个物种,是多年生藤本植物。其块茎可作蔬菜,也可药用,味甘而性温,无毒而可健脾胃,有益肺肾、补虚羸等良好的功效。在河南省焦作市,有一个县级市——沁阳市,夏朝时称覃怀,元、明、清时称怀庆路、怀庆府,驰名神州的怀山药的名称就源于其原产地——怀庆府。怀庆府所辖地域大体相当于现在的焦作市范围。焦作市温县、沁阳等地的铁棍山药是众多山药品种之一,也是怀山药中的精品,因呈杆状且通体分布铁锈般的痕迹而得名“铁棍山药”。

就像怀山药为河南焦作人的送礼佳品一样,浙江人以杭菊、北京人以燕山板栗、南北沿海和各地湖泊流域的人们以大闸蟹招待贵客。更别说黄山松所象征的自强精神,甚至一棵饱经风霜的老树,都可能拥有“永恒的”生命。例如山西洪洞的老槐树,是中华民族根文化的体现者!——“问我家乡在何处,山西洪洞大槐树。”

作为生物分类学的基本单位,物种是由具有相似遗传特征的个体组成的生物群体。区分物种的标准有生殖隔离、形态特征和基因组差异等。每一个物种都占据一个生态位,表面上看很平常的某个物种,可能蕴含着独特的魅力。例如金丝燕分泌的燕窝成为珍奢食品,蝙蝠的听觉反馈机制启迪我们探究精密的定位系统等。再比如前文所说的壁虎,其大家族是壁虎科,科下有壁虎属,属内有不同的物种,分别适用于不同的地域、气候环境。壁虎具有捕食昆虫(蚊、蝇等)的习性,是人类的朋友;干燥壁虎的全体均可入药,味咸而性寒,是治疗肿毒、惊风癫痫以及瘰疬结核等的药材。

物种是大自然中最具活力的成员。人类对待物种的态度也已极大地影响着自身的生存和社会的发展。地球上出现过的物种绝大部分已经绝灭,留在世上的是凤毛麟角;脆弱的物种无疑在包括不当利用甚至破坏资源在内的因素影响下消失了,适应性较强的物种也呼唤我们善待它们。它们也是与人类这一物种共同拥有一片蓝天、一方土地的“地球村”村民。在人类的环保理念越发健全的今天,物种的生存、繁衍形势在一定意义上总体向好;科技的进步也使新物种的发现和探秘日益加速。

(作者系北京师范大学生命科学学院教授)


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2024年05月20日 10:47
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长江中游史前文化格局及其演进之路