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为了留在地球第三极, 它们对身体进行了“大改造”

来源:科技日报2020-04-01 10:10

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  被称为地球“第三极”的青藏高原,虽然有着世界上最严酷的高原高寒环境,但也有许多生物在那里繁衍生息。近日,第二次青藏科考高原动物多样性保护和可持续利用专题研究团队研究人员通过对麻雀的群体基因组研究,结合心肌、飞行肌组织形态特征分析,发现了麻雀属中的一种——树麻雀对高原环境有着特殊的早期适应机制。

  那么,树麻雀什么时候开始出现在青藏高原,它们在长期演化中如何调整自身结构来适应高原环境?带着这些问题,记者采访了相关专家。

  树麻雀跟随人类同上高原

  麻雀是文鸟科麻雀属27种小型鸟类的统称,它们大小、体色十分相近。其中树麻雀分布相当广泛,除极寒冷的南北极和高山荒漠之外,世界各地均能看到树麻雀的身影。树麻雀多活动在有人类居住的地方,性格活泼,但警惕性非常高,好奇心也比较强。

  那么,树麻雀什么时候开始出现在青藏高原的呢?

  中国鸟类学会理事、中国科学院西北高原生物研究所副研究员李来兴认为,青藏高原隆起后,有不少生物先于人类在这里出现,不过树麻雀却是与人类相伴出现的。“我们通过长期研究证实,在畜牧业和农耕文化同时存在的青藏高原,树麻雀筑巢、繁殖、育雏和越冬等生活史,基本围绕村落和农田来完成。由此我们认为,树麻雀这一物种是在青藏高原出现农耕文化后,也就是大约3600年前,才由低海拔地区扩散到青藏高原的。”

  李来兴表示,很多物种在地理分布上有亚种的分化。亚种分化是由于物种在较小范围内长期适应某种环境,其交配产生后代就会形成一个地方种群,这个地方种群的基因相对保守,逐渐形成亚种。高海拔地区常见的树麻雀,就是在青藏高原地区封闭的繁殖种群演化出自有特征后,形成的适合高原生存的亚种。

  不断进化取得长久“居住证”

  物种如何快速、有效地适应自然环境的变化,是其生存和种群拓殖的必要条件。

  第二次青藏科考高原动物多样性保护和可持续利用专题研究团队通过对种群遗传结构、历史动态及全基因组性状-基因关联进行分析,发现在几千年时间里,树麻雀的心肌、飞行肌发生了明显改变,而这些性状直接与适应空气密度低、氧分压低等环境的能力相关。

  研究人员对树麻雀高、低海拔种群进行了群体基因组学比较研究,出人意料的是,尽管两种麻雀的外在特征显示出高度分化,但是它们的遗传分歧却非常微弱。

  这种反差使研究者产生了另一种联想,或许高原树麻雀外在特征的改变,可能只是动物短期应激作用的表现。为了验证这个猜想,研究团队对低海拔树麻雀进行了为期一个月的低氧习服(俗称“服水土”)试验,研究人员发现,低海拔树麻雀的心肌、飞行肌的相关性状并未呈现出想象中的变化,可见,单纯从机体短期适应环境而做出相应调整的角度,也未能解释高原树麻雀主要特征变化。

  遗传基因并没有出现太大差别,短期应激作用也不会带来相关性状的改变,那么树麻雀在适应高原生活的过程中所发生的一系列的变化,究竟是由什么来决定的?

  研究人员发现,海拔高、低麻雀全基因组上一系列和高原适应性性状相关的基因(如肌肉发育相关的基因)相对于基因组背景有着较高的遗传分化。而所谓的遗传分化,就是指母代的同一个特征,遗传到子代不同个体时出现了不同的表现,就像双眼皮的母亲,其后代也可能出现单眼皮一样。在两种树麻雀的对比试验中,研究人员发现了多个和表型性状密切相关的基因位点同时出现变化,这种被称为“多基因效应”的作用机制,能够帮助驱动高原树麻雀肌肉等表型性状的快速改变。

  研究团队综合各项研究结果后发现,与具有长期适应进化历史的鸟类相比,树麻雀性状的改变可能更多地处于一种“亚健康状态”,即一种多基因效应与生理可塑性改变的交汇状态。

  李来兴解释说:“树麻雀的这种生理变化并非基因突变。随着环境变化,动物自身的调节机制会不断地适应新环境带来的影响,但这不一定是其遗传结构发生了变化。”

  低海拔麻雀进藏面临哪些挑战

  试想,一只来自“北上广”地区的树麻雀扑扇着小翅膀,来到青藏高原“旅游”,会出现什么样的结果?“低海拔地区的树麻雀来到青藏高原后,首先,和人类一样,也会有类似的高原反应,表现为3天之内心跳频率很快。第二个变化出现在3天以后,麻雀身体内的血红细胞密度全面提高了,几乎达到它的生理极限来适应低氧高海拔环境。如果树麻雀想要在青藏高原定居,还需要机体上的进一步调整,如强化心肌、飞行肌等。日积月累,这种效应就会在遗传结构上得以巩固。这就是我们今天看到的树麻雀成功扩散到青藏高原的艰难进化历程。”李来兴如是说。

  此外,高原紫外线强烈,广阔草地缺少林木遮挡;草地景观色调单一,艳丽的体色易被天敌发现……由此,树麻雀在适应进化过程中,羽毛的颜色逐渐由棕、黑色变得接近浅黄褐色。

  李来兴还介绍,在低海拔地区生活的树麻雀来到高海拔地区,还将面临天敌、诸多病原体等来自生物环境的威胁。尤其动物与病原体之间的斗争,已经不再是单纯的“你死我活”,而是生物物种之间充满智慧的博弈,最后达成的是动物与病原体之间的协同进化。

  相关链接

  高原“原住民”的生存技巧

  青藏高原海拔高、地形地貌复杂,具有世界上中低纬地区范围最广、面积最大的多年冻土区。独特的地理环境造就了青藏高原夏天凉爽多雨、冬天寒冷干燥、紫外线辐射强、空气湿度低等自然环境特点。

  据不完全统计,生长在青藏高原的动物中,陆栖脊椎动物有1047种,其中特有种106种,在这些陆栖脊椎动物中,哺乳纲有28科206种,占全国范围内总种数的41.3%;鸟纲有63科678种,占全国总种数的54.5%。

  李来兴表示,动物为了能够适应青藏高原低氧高海拔的环境,身体各项适应机制都在充分发挥作用。

  研究人员发现,作为青藏高原特有的物种,藏羚羊的心脏重量高达214.7克,心脏的心肌收缩力强、心肌细胞线粒体含量增加等特点都有利于心脏血液的快速循环供氧;高原特有物种牦牛的肺出现了肺脏重量大、肺泡数多、肺部组织中的毛细血管网很发达的特点,这都有助于提高它们在缺氧条件下的气体交换机能;生活在山地森林中的鸟类也发生了心肺质量增加等适应性的生理和形态改变,以便获得足够的氧气。(记者 张 蕴)

[ 责编:赵宇豪 ]
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