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远古的DNA想象

2006-09-25 15:00 作者:吴戈 2006年第35期
一只棕色的猛犸仍是动画片《冰河世纪2》的主角。7月6日的《科学》杂志却对猛犸的毛色提出了质疑。莱比锡的普朗克进化人类学研究所从4.3万年前的猛犸骨骼中提取到含有一个关键的肤色基因的DNA片断,发现猛犸也完全可能是一身金毛。

一只棕色的猛犸仍是动画片《冰河世纪2》的主角。7月6日的《科学》杂志却对猛犸的毛色提出了质疑。莱比锡的普朗克进化人类学研究所从4.3万年前的猛犸骨骼中提取到含有一个关键的肤色基因的DNA片断,发现猛犸也完全可能是一身金毛。

8月15日,日本理化学研究所生物资源中心的小仓淳朗用在普通冷藏库中保存15年之久的小鼠身上提取的精子,成功繁殖出27个完全正常的后代。他的下一个目标锁定了猛犸,但西伯利亚的严寒能保存下DNA完整的猛犸精子吗?谁也没有把握。

更大的希望还是在DNA上。2002年夏,俄罗斯和日本科学家在俄罗斯雅库特一处河滩的永久冻土带中找到两只约3万年前的完整猛犸,皮下蜂窝组织中还有完整的细胞,连细胞核也完好无损。第二年他们就试图从中分离猛犸基因,然后借猛犸的现代近亲亚洲象的卵子和母体繁殖,使它重返人间。

远古DNA的测序难度很大,大多数DNA不是支离破碎,就是被无处不在的现代DNA沾染。2005年春,一个国际研究小组在俄罗斯最北的萨哈共和国又发掘出一头已冰冻2.7万年的猛犸遗骸,残存着肌肉和几撮毛发的头颅还被空运到日本爱知世博会上展出。

从这头猛犸的下颚骨提取的骨髓被送到宾夕法尼亚州立大学,以加拿大麦克马斯特大学进化遗传学家亨德里克·波依纳为首的科学家从2800万个碱基对中发现了1300万个猛犸的细胞核与线粒体DNA。尽管这只相当于全部遗传密码的1%,但该小组使用的新型基因组测序装置只用几小时就完成了这一过程,预计只需一年就能完成全部基因组测序。

2005年12月15日,波依纳小组提前在《科学》杂志上公布了他们的成果,因为以普朗克进化人类学研究所为首的另一个小组正在追赶。2006年2月9日,后者在《自然》杂志上宣布,他们通过常规方法提速,测定了一只来自雅库特的猛犸的全部16770个碱基对的线粒体基因组。

两个小组的研究各有千秋,波依纳的小组强调——生物最主要的遗传信息保存在细胞核DNA中,线粒体中的基因组只揭开了进化的一面。德国小组则认为,他们得到的线粒体基因组序列是完整的,对方得到的基因组序列是“破碎”的。

不管怎样,波依纳小组的测序手段无疑是远古DNA研究的一次革命,能够首次对古生物基因组进行完整的测序更令人振奋。波依纳说:“一旦完成了基因组测序,就有100万个有趣的问题可以回答。更重要的是,这表明重新繁殖灭绝的动物理论上是可能的。”麦克马斯特大学副校长曼铎·舒克里说:“学校已经计划召开首次复活灭绝生物的伦理问题研讨会。科学家有责任探索,但同时也要负责地应用我们的研究。”

不得不承认,复活灭绝动物仍然是个挑战。“现在有可能提取猛犸的整个基因组,并不意味着可以将基因组与细胞核内的染色体结合起来,并具有生命的全部功能。”美国自然历史博物馆参加波依纳小组研究的罗斯·麦克菲说:“即使用现代DNA也未必做得到这一点。”

出于难以抑制的好奇心,俄罗斯早在1989年就在西伯利亚建立“更新世公园”,梦想重现冰河时期的生态环境,让猛犸同该地区很多已灭绝的物种,如西伯利亚虎、驼鹿、巨鹿一起重新繁衍。澳大利亚的一个研究小组已经着手研究克隆已灭绝的塔斯马尼亚虎,美国的一个研究小组也开始尝试复活5年前灭绝的一种野生白山羊。

波依纳小组能否完成完整的猛犸基因组测序,取决于自然环境保存的DNA有多完整。“即使能找到完整的细胞,也不能保证它是健康的,如果基因有错误,那就会导致出生缺陷。”英国伦敦学院大学的一位古生物学家提醒道。

一位医生的侏罗纪游历

谁也没想到,要想揭开恐龙世界的爱恨故事,需要一位骨科医生的眼睛。

纽约的美国自然历史博物馆门厅里陈列着一头重龙化石,它正用结实的后腿跃起,消防水龙一般细长的脖子狂暴地扬起到两层楼高,这个形象已经是这座博物馆以至纽约市标志性的符号。然而这是一个巨大的误解。古病理学家布鲁斯·罗斯柴尔德说:“这个门神是用来激发观众兴趣的,但实际上它无法这样站立。”

精力旺盛的罗斯柴尔德实际上是个医生,也是一个以银行与酿酒闻名的欧洲望族的后裔。他经常驾着私人飞机光顾,但总以斜纹棉布裤子和朴素的男式衬衫露面。他在世界各地飞来飞去,多半是应古生物学家之邀。直到不久前,恐龙骨骼化石还被像矿石一样,用地质的眼光研究。殊不知这些骨头上处处是伤痕和疾病,正是那些消失生活的不灭印记。

“如果这个动物像那样站立。”罗斯柴尔德说,“你应该能看到类似芭蕾舞演员常有的那种疲劳性骨折,在前腿上。疲劳性骨折也应该存在于肋骨下的腰椎区,但那里没有。”在他看来,重龙和芭蕾舞演员,包括他自己,这一点是共同的。“过去就有人提出这样的动作对心脏要求较高,但一直困扰我的是缺乏证据。”现在,罗斯柴尔德的发现推翻了原来的理论。但如果重龙不能用后腿跃起,它怎么自卫呢?

“它用尾巴鞭打的能力增强了。”罗斯柴尔德猜测道,“重龙也可能蹲坐,使脖子避开攻击,并创造一个挥舞前爪的空间。”

没有任何现代动物蹲着自卫,对一种1.5亿年前的动物,这更是一个相当新颖的推断。但罗斯柴尔德也不是没有根据:至少有一块蜥脚类动物的化石上的伤痕表明,它是在蹲伏姿势时受到捕食者攻击的。“我想有关的证据正在补充进来。”

在古病理学这个兼职领域,罗斯柴尔德是个明星,是近600篇论文的共同作者。作为风湿病专家,他在堪萨斯和俄亥俄州的关节炎中心都有职位。变化始于80年代初,当时一个同事无意中请他研究一块化石,他们想知道那只海蜥蜴得的是什么病。从此,一有人想了解骨类化石上的疾病或者伤疤,都会找他,几乎每个星期都有世界各地的邀请。

沧海桑田仍在继续,全世界每个月都会发现新的恐龙种类。芝加哥野外博物馆的彼得·马科维奇说:现在已有900个有效的种类,至少比20年前多了一倍。正是在罗斯柴尔德这些外来者的帮助下,古生物学正一改干巴巴的解剖描述,开始从化石中提炼出生动的生命史。美国自然历史博物馆古生物学主任马克·诺雷尔说:“最近20年,这个领域已经不再限于分类学,而开始思考恐龙生理学、生态学甚至行为学,都是靠研究和实验而不仅仅靠发现催生的分支。”

“古病理学有几个方面的影响。”堪萨斯大学教授拉里·马丁说,“其中最有价值的是使你直接了解到行为,这是古生物研究中最具挑战性的部分。”有的医生从街头走动的行人身上就能观察出异常,罗斯柴尔德则上升到一门艺术的层次。在他眼中,一个博物馆无异于一个史前病房,躺满了重达10吨以上的病人,骨刺、囊肿、骨折、再生、异常骨化和畸形,应有尽有。

在用计算机再现的恐龙时代,霸王龙凶猛地捕猎是经典的恐怖场景。然而最近几年的发现给这种定势投下了疑云。有的研究发现:霸王龙无法快速奔跑。对它脑腔的检查表明,它有一个巨大的嗅觉系统。这些都暗示着:这种强悍的武夫更有可能是一种蹒跚而行的食腐者。

罗斯柴尔德正在为这个谜题寻找新证据。90年代末,他发现霸王龙等兽脚亚目食肉恐龙(前肢小,主要用后肢行走)的胸腔经常有骨折,很可能是奔跑中肚子撞击地面的结果。然而他最近又研究了霸王龙较小的前肢,发现的骨折规律却很像与活着的猎物搏斗过。陡然间,这种动物又变回了嗜血的旧形象,也许更新的证据还会再次撼动这种形象。

2005年9月,罗斯柴尔德在伊利诺伊州的暴龙研讨会上提出:他不再相信所有霸王龙的伤痕都是嘴咬的痕迹。“还记得恐爪龙搏斗的形象吗?”它们个头虽小,却是有着镰刀般前爪的食肉动物。化石表明一只恐爪龙用它强大的后肢挖开了一只三角龙的肚子。“我想这也有可能是暴龙的行为。”罗斯柴尔德说,在大量暴龙化石中,“有很多面对面的交锋,有些伤痕无法解释,除非霸王龙当时是仰面朝天的。”

至少目前,罗斯柴尔德还暂时把这种恐龙想象为敏捷而凶残的角色。他指着化石头骨上的一些愈合痕迹,想象了这种暴徒的性生活。“在很多动物中雌性必须被征服,但雌性往往体型更大,雄性霸王龙不得不在性交中特别富于攻击性。”他说,“我不认为粗暴的性有什么新鲜的,但这里有另一面。”

的确,一些暴龙面部咬伤的痕迹与现代的母狮被雄狮咬下的爱的印记非常相似。一头称为Stan的暴龙就有这些痕迹,但一些骨架证据却表明这是一只雄性。“如果Stan是雌性,一切都好解释。”罗斯柴尔德狡猾地说,“但如果它是雄性,就只能说6500万年前还有另一种类型的性行为了。”

罗斯柴尔德进入这个天地的方式与多数男孩一样,7岁时他看过一本大书,全是栩栩如生的恐龙插图和拉丁文名词。父母希望他当个工程师,但他在新泽西长到十来岁时,已经是自然历史博物馆的常客。

对他显赫的姓氏,罗斯柴尔德总是拒绝谈论。只有一次,他承认尝过那种冠有家族姓氏的昂贵的酒。对他来说,罗斯柴尔德这个姓真正的印记要追溯到他的叔父:莱昂内尔·沃尔特,第二任罗斯柴尔德男爵。这位19世纪的著名博物学者和探险家、鸟类与蝴蝶收藏家拥有大量私人标本,后来成为伦敦自然历史博物馆的动物学部分。因为资金周转不灵,沃尔特还最终将部分收藏卖给了美国自然历史博物馆。沃尔特以古怪出名,他甚至能驾着4匹斑马拉着的老爷车,堂而皇之地驶进白金汉宫。罗斯柴尔德没有叔父的古怪,但在博物馆里的眉飞色舞却一脉相承。

在蛇颈龙化石前,罗斯柴尔德说:“看到肱骨头与胸带相接处的两面低洼了吗?这表明减压失调,减压病!”他指着附近一只鱼龙化石,上面就没有类似现象。“因此蛇颈龙是一种反复深潜的动物,以前并不知道这一点。”

罗斯柴尔德说:“每头沧龙都有减压病的痕迹,但长背龙都没有。瘤龙都有,但大洋龙都没有。”他对海洋生物减压病的追踪已经从三叠纪延伸到哺乳动物时代,直到现代,目的是研究动物是如何进化出解决办法的。“如果我们追溯到始新世的走鲸,就可能发现哪些进化使它们避免了减压病。这对人类很有帮助。别忘了,至今还没有一位潜水员没有减压病。”他说。

减压病不只被看作1841年发现的一种人类病症,而是脊椎动物的共同问题。罗斯柴尔德的研究对象还有霸王龙的痛风,鸭嘴龙的癌细胞,最近的对象则是骨关节炎的进化史,后者也是人类最普遍的困扰之一。

罗斯柴尔德从不根据一块骨头信口开河。多数医生相信骨关节炎与肥胖大有关系,但罗斯柴尔德研究了全世界1万块恐龙骨骼后并不相信。“恐龙的骨关节炎只找到两个例子,都出现在布鲁塞尔发现的一群39只贝尼萨尔禽龙中。”这使人很难相信体重会是个原因。

接着,他又收集了大量现代鸟类的踝骨数据,将其与最早到侏罗纪的禽龙等动物比较。这简直需要一种疯狂的精力。一只鸟的踝骨往往比一个钉子还小,但罗斯柴尔德在每个标本上摸索两三秒钟,就能感觉到有没有比盐粒还小的骨刺,这是骨关节炎的标志。“我已经研究了大约4.5万只鸟,对这个相当在行。”他说。

从恐龙身上得到的经验,也被罗斯柴尔德用到骨科治疗中。恐龙有的关节运动非常有限,人类的运动范围要大得多。“问题在于自然对人的设计并不包括年轻时如此丰富的体育运动,韧带的拉伸和损伤无法修复,肌肉就不得不接替。年老以后不再活跃,补充稳定性的肌肉慢慢萎缩,韧带又不能承担,就有了骨关节炎。”因此,罗斯柴尔德很少让患者动手术,而主张用锻炼恢复肌肉控制。

只有一个视野跨越历史的医生兼古病理学家,才能从禽龙、非洲食蜂鸟,还有博物馆咖啡厅里喧闹的孩子身上,看出一种富于启迪的天然联系,那是整个脊椎动物的进化史。

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