挖掘自然博物馆中的遗传宝藏

撰文 | Eryn Brown

翻译 | browneyedsilvia

校译 | D

如今，生物学家们想获取的自然博物知识很多都来自于肉眼不可见的DNA分子中。自然博物馆里这些规模浩大而又古老的标本收藏能够为我们提供什么信息，以推进对基因和演化相互关系的理解呢？

长期以来，大部分的自然博物馆研究员都致力于发现新物种并梳理其演化历史的工作。我的兴趣则更偏向于基因组（即一种生物或其个体所拥有的全套遗传物质）与表现型之间的联系，前者指导生物的发育和活动，后者则指代生物所表现出的性状，简称表型。

当我们同时关注基因组与表型，就能够研究生物如何演化并逐渐适应不同的生存环境，而自然博物馆的馆藏标本就为这样的研究提供了大量可供发掘的样本库。从某种程度上来说，博物馆就像是一台时光机器，使我们能够穿越到过去，查看旧时的标本。得益于博物馆的搜集整理工作，我们还能够一并了解标本的采集时间和地点，以及多年来科学家们在标本中观察到了什么。

对于当代的生物物种，利用其已有的馆藏标本比去实地采样亦有优势之处。有时候，研究对象会是已经灭绝或极其稀有的生物，有关部门不会允许任何形式的采样，因为这种生物在野外真的可能就只剩两个个体了。

我所研究的蜥蜴在自然环境中的数量还算不少，但能直接获得馆藏标本确实节省了功夫。我取样过的物种有很多种来自于澳大利亚的馆藏标本组织，如果没有这些标本，我就得亲自到野外去寻找这些物种了。而且，即使去了对的地方，我也有可能找不到，更不要提这些物种的分布地区散落在各个大陆了。

行业标配。博物馆基因组学集合了实地、实验室和计算分析研究的手段。首先，研究者仔细查看[1]地图，寻找研究地点，并参考[2]书籍及其它已发表的著作，提出研究的假说。在野外实地，研究者在采集[4]标本时，会做详细的[3]采集信息记录，并且给标本加上[5]标签以便区分。他们使用[6]专业的工具来解剖标本，获取后续用于测序的组织样本。这些样本通常装在[7]管子中，封在[8]液氮里保存。按照传统，这份标本其余的部分就成了一件博物馆收藏的凭证标本。根据生物体的不同，这些标本可以[9]干制处理，或是[10][11]用酒精做浸制处理。组织样本会先经过[12]处理（标号所指为移液枪）再用[13]手持测序仪进行DNA测序，最后用[14]电脑来分析得到的序列信息。（来源：MUSEUM OF COMPARATIVE ZOOLOGY, HARVARD UNIVERSITY. PHOTOGRAPH BY DAREN CARD / © PRESIDENT AND FELLOWS OF HARVARD COLLEGE）

有什么科学家利用馆藏标本、通过遗传学手段研究生物演化的好例子吗？

有一项对美国加州高海拔地区的花栗鼠的研究，是个绝佳的例子，我们在综述文章里也重点提到了。这些花栗鼠仅分布在加州海拔最高的山上，而这项研究就是关于它们在过去的约一百年中是如何演化并变得适应环境的。

人们担心，像这样的物种面临着气候变化引发的巨大风险。如果气温继续上升、并且物种没有空间向更凉爽的高山地区迁移，那它们的日子就不好过了。

对于这些花栗鼠，最初的研究始于二十世纪初，由加州大学伯克利分校脊椎动物学博物馆的科学家们开展起来，尤其是一位叫约瑟夫·格林奈尔的研究者，他是当时一位非常有影响力的博物馆科学家。格林奈尔在记录美国西部的自然博物学方面著作颇丰，而彼时的西部正迎来大量的移民定居。

格林奈尔在1939年去世了，不过他很有前瞻力：他推测，未来的科学家将使用馆藏标本来研究生物随时间发生的变化。这个推测启发了克雷格·莫里兹——我们这篇综述文章的共同作者之一——组建一个团队来对这种花栗鼠的一些高海拔种群进行重新采样和DNA测序，并将他们的发现与从一百多年前格林奈尔团队采集编目的动物标本中提取的DNA样本进行对比。莫里兹想看看他们是否能够检测到一些基因变化，记录气候是如何影响这些生物的。

莫里兹团队发现，花栗鼠的基因组里大部分片段没有什么显著的变化。但是，来自高海拔地区个体所含的一些单基因突变，随着时间的推移，在部分种群中变得更加常见了。这样的改变有可能来自于气候变化带来的生态压力。

他们观察到，一个特定基因的五个变体在种群中的出现频率发生了较大的变化。这个基因叫做Alox15，它参与调节动物在低氧条件下的生存能力，因此或许是气候变化过程中应当被追踪的一个重要基因。理想情况下，科学家们很快将验证这个基因的功能，并且在不久的将来，或许能通过追踪Alox15基因变体的频率变化来帮助制定保育决策，以利于这种花栗鼠和其它高海拔地区物种的延续。说不定50年后，我们将能够对Alox15进行基因编辑，帮助近危的物种增强适应能力。但在现阶段，这还是一个设想。

科学家们利用馆藏标本还做出了什么其它的发现吗？

例子有很多。其中之一是，一项对芬兰自然历史博物馆所藏标本的分析，揭示了两个种群减少的蝴蝶物种在长达一个世纪的时间内，因种群减少而发生了遗传多样性的下降。另一个研究则发现，在1879至1959年间，瑞士伯尔尼的蜜蜂种群遗传多样性大致维持不变。这样的区别指向了另一种人类活动的影响，即在后一个例子中，人工养殖很可能帮助保护了蜜蜂。

这些存于芬兰自然历史博物馆的蝴蝶标本，帮助遗传学家们记录了两种种群缩小的蝴蝶在一个世纪之中逐渐降低的遗传多样性。左侧为朱红眼蝶（Erebia embla），右侧为罕莱灰蝶（Lycaena helle）。（来源：CREDIT: PEKKA MALINEN / FINNISH MUSEUM OF NATURAL HISTORY）

一项对鹿白足鼠（Peromyscus maniculatus）的基因组学分析，使用了新墨西哥大学的西南生物博物馆和德克萨斯理工大学博物馆所保存标本的血样，并让科学家们发现，1993年在美国西南地区的“四角落”诸州（即犹他州、科罗拉多州、新墨西哥州和亚利桑那州）致10人死亡的一种神秘的汉坦病毒，其实已经悄然在该区域的啮齿类动物中传播开一段时间了。

还有一项最近刚登上《自然》杂志的很棒的研究：瑞典自然博物馆和几个其它研究所下属的科学家们从百万年前的猛犸标本中分离出了DNA，并进行了测序，发现了一个之前未知的西伯利亚猛犸支系，而该支系的后代就是最早穿越白令陆桥来到北美的那群猛犸。这样的研究有助于我们深入了解不同古代动物种群之间的演化关系。

从那么古老的标本中也能获得不错的DNA分子序列信息吗？

时好时坏。这和标本的保存方法有关，最好的方法是取大块的组织，放在冷库或液氮箱里冻着。保存的时长也很重要，标本藏得越久，DNA降解得就越多。

百年前，人们显然还不知道DNA是何物、有何用，其结构和编码遗传信息的方式在二十世纪五六十年代才被发现。像格林奈尔这样的人在那时也还完全不知道DNA的存在，但他们制作标本的方式使其在百年之后仍保存完好，让后世的人还能够从中提取出可用的DNA来。除了DNA之外，人们也在从标本中提取其它的生物分子并获得序列信息，只是进展还比较缓慢。

目前，标本的保存方式正在由多方协调进行标准化，但这件事仍需更多的努力。我认为应该做一个全面的修订，这将帮助我们更好地保存生物组织标本，以用于未来的长期研究。

世界各地的博物馆保存着超过十亿份生物标本，上图展示了标本的类别和标本库的所在地。（来源：Knowable杂志）

除此之外，该领域还面临什么其它的挑战吗？

我们有两点需要改进：决定保存何种标本，和如何记录重要的标本相关信息。博物馆过去保存的大多是生物整体的标本，但近些年来，研究者们开始对标本的基因或者是基因组资源更加感兴趣，所以生物组织标本是我们所需要的标本类型。但是当我们查询标本数据库时，有时很难确定，一件有采集日期和地点等信息的生物标本，是否也有一份对应的组织标本可以用来测序。对于基因组学研究来说，最好是二者兼备。

另一个较大的挑战是标本库的数字化和系统整合，以便于我们掌握各博物馆的馆藏标本类别。标本的数字化工作已经开展有十余年了，但是各标本库的数字化资源并没有得到较好的整合。我希望我们的这篇综述论文能够将这项工作继续向前推进一点，因为要做的事情还有不少。

回到您关于蜥蜴的研究，请问您通过博物馆基因组学的手段发现了什么呢？

我们仍在探究一些蜥蜴物种肢体发生退化的原因。这是一个演化上的现象，并且在爬行动物的演化过程中多次发生过，其中最为人知的例子就是蛇类。但爬行动物中的肢体退化不止在蛇类中出现，它发生的次数远比我们想象的要多。一直以来，生物学家们认为蛇类的基因组中有一个叫做ZRS的区域与肢体的退化有关。但从目前的初步研究来看，在我关注的蜥蜴物种中，这个基因组区域并不是使它们肢体发生退化的重要原因，答案另有其它。

那么，为什么有必要找出基因组的某个区域与这样的演化现象之间的关联呢？

对于生物学家来说，这其实是至关重要的问题。是什么造就了在地面爬行的蛇，又是什么造就了在空中飞翔的鸟？作为生物学家，我们所关注的自然界中的差异，大多都是由基因所致，而我们对从基因到表型的发育过程的认识尚处于起步阶段。在一些传统的模式生物中，如人类、小鼠和果蝇，生物学家们开始有了较为深入的认识，但放眼万物生灵，我们还知之甚少。

要回答这个体量庞大的生物学问题，博物馆将会是灵感和研究材料的绝佳来源。对这个大问题的理解更能够帮我们解决大困难。了解遗传变异及其与生理学的联系，尤其是在那些研究发现可能迁移到人类生物学领域的物种中，可能会对医疗保健或受生物学启发的设计和工程产生影响。