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為了留在地球第三極,它們對身體進行了“大改造”
2020-04-01 07:41:34 來源: 科技日報
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  科學家揭示樹麻雀對青藏高原適應機制

  為了留在地球第三極, 它們對身體進行了“大改造”

  被稱為地球“第三極”的青藏高原,雖然有著世界上最嚴酷的高原高寒環境,但也有許多生物在那裏繁衍生息。近日,第二次青藏科考高原動物多樣性保護和可持續利用專題研究團隊研究人員通過對麻雀的群體基因組研究,結合心肌、飛行肌組織形態特徵分析,發現了麻雀屬中的一種——樹麻雀對高原環境有著特殊的早期適應機制。

  那麼,樹麻雀什麼時候開始出現在青藏高原,它們在長期演化中如何調整自身結構來適應高原環境?帶著這些問題,本報記者採訪了相關專家。

  樹麻雀跟隨人類同上高原

  麻雀是文鳥科麻雀屬27種小型鳥類的統稱,它們大小、體色十分相近。其中樹麻雀分布相當廣泛,除極寒冷的南北極和高山荒漠之外,世界各地均能看到樹麻雀的身影。樹麻雀多活動在有人類居住的地方,性格活潑,但警惕性非常高,好奇心也比較強。

  那麼,樹麻雀什麼時候開始出現在青藏高原的呢?

  中國鳥類學會理事、中國科學院西北高原生物研究所副研究員李來興認為,青藏高原隆起後,有不少生物先于人類在這裏出現,不過樹麻雀卻是與人類相伴出現的。“我們通過長期研究證實,在畜牧業和農耕文化同時存在的青藏高原,樹麻雀築巢、繁殖、育雛和越冬等生活史,基本圍繞村落和農田來完成。由此我們認為,樹麻雀這一物種是在青藏高原出現農耕文化後,也就是大約3600年前,才由低海拔地區擴散到青藏高原的。”

  李來興表示,很多物種在地理分布上有亞種的分化。亞種分化是由于物種在較小范圍內長期適應某種環境,其交配産生後代就會形成一個地方種群,這個地方種群的基因相對保守,逐漸形成亞種。高海拔地區常見的樹麻雀,就是在青藏高原地區封閉的繁殖種群演化出自有特徵後,形成的適合高原生存的亞種。

  不斷進化取得長久“居住證”

  物種如何快速、有效地適應自然環境的變化,是其生存和種群拓殖的必要條件。

  第二次青藏科考高原動物多樣性保護和可持續利用專題研究團隊通過對種群遺傳結構、歷史動態及全基因組性狀-基因關聯進行分析,發現在幾千年時間裏,樹麻雀的心肌、飛行肌發生了明顯改變,而這些性狀直接與適應空氣密度低、氧分壓低等環境的能力相關。

  研究人員對樹麻雀高、低海拔種群進行了群體基因組學比較研究,出人意料的是,盡管兩種麻雀的外在特徵顯示出高度分化,但是它們的遺傳分歧卻非常微弱。

  這種反差使研究者産生了另一種聯想,或許高原樹麻雀外在特徵的改變,可能只是動物短期應激作用的表現。為了驗證這個猜想,研究團隊對低海拔樹麻雀進行了為期一個月的低氧習服(俗稱“服水土”)試驗,研究人員發現,低海拔樹麻雀的心肌、飛行肌的相關性狀並未呈現出想象中的變化,可見,單純從機體短期適應環境而做出相應調整的角度,也未能解釋高原樹麻雀主要特徵變化。

  遺傳基因並沒有出現太大差別,短期應激作用也不會帶來相關性狀的改變,那麼樹麻雀在適應高原生活的過程中所發生的一係列的變化,究竟是由什麼來決定的?

  研究人員發現,海拔高、低麻雀全基因組上一係列和高原適應性性狀相關的基因(如肌肉發育相關的基因)相對于基因組背景有著較高的遺傳分化。而所謂的遺傳分化,就是指母代的同一個特徵,遺傳到子代不同個體時出現了不同的表現,就像雙眼皮的母親,其後代也可能出現單眼皮一樣。在兩種樹麻雀的對比試驗中,研究人員發現了多個和表型性狀密切相關的基因位點同時出現變化,這種被稱為“多基因效應”的作用機制,能夠幫助驅動高原樹麻雀肌肉等表型性狀的快速改變。

  研究團隊綜合各項研究結果後發現,與具有長期適應進化歷史的鳥類相比,樹麻雀性狀的改變可能更多地處于一種“亞健康狀態”,即一種多基因效應與生理可塑性改變的交匯狀態。

  李來興解釋説:“樹麻雀的這種生理變化並非基因突變。隨著環境變化,動物自身的調節機制會不斷地適應新環境帶來的影響,但這不一定是其遺傳結構發生了變化。”

  低海拔麻雀進藏面臨哪些挑戰

  試想,一只來自“北上廣”地區的樹麻雀撲扇著小翅膀,來到青藏高原“旅遊”,會出現什麼樣的結果?“低海拔地區的樹麻雀來到青藏高原後,首先,和人類一樣,也會有類似的高原反應,表現為3天之內心跳頻率很快。第二個變化出現在3天以後,麻雀身體內的血紅細胞密度全面提高了,幾乎達到它的生理極限來適應低氧高海拔環境。如果樹麻雀想要在青藏高原定居,還需要機體上的進一步調整,如強化心肌、飛行肌等。日積月累,這種效應就會在遺傳結構上得以鞏固。這就是我們今天看到的樹麻雀成功擴散到青藏高原的艱難進化歷程。”李來興如是説。

  此外,高原紫外線強烈,廣闊草地缺少林木遮擋;草地景觀色調單一,艷麗的體色易被天敵發現……由此,樹麻雀在適應進化過程中,羽毛的顏色逐漸由棕、黑色變得接近淺黃褐色。

  李來興還介紹,在低海拔地區生活的樹麻雀來到高海拔地區,還將面臨天敵、諸多病原體等來自生物環境的威脅。尤其動物與病原體之間的鬥爭,已經不再是單純的“你死我活”,而是生物物種之間充滿智慧的博弈,最後達成的是動物與病原體之間的協同進化。

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  高原“原住民”的生存技巧

  青藏高原海拔高、地形地貌復雜,具有世界上中低緯地區范圍最廣、面積最大的多年凍土區。獨特的地理環境造就了青藏高原夏天涼爽多雨、冬天寒冷幹燥、紫外線輻射強、空氣濕度低等自然環境特點。

  據不完全統計,生長在青藏高原的動物中,陸棲脊椎動物有1047種,其中特有種106種,在這些陸棲脊椎動物中,哺乳綱有28科206種,佔全國范圍內總種數的41.3%;鳥綱有63科678種,佔全國總種數的54.5%。

  李來興表示,動物為了能夠適應青藏高原低氧高海拔的環境,身體各項適應機制都在充分發揮作用。

  研究人員發現,作為青藏高原特有的物種,藏羚羊的心臟重量高達214.7克,心臟的心肌收縮力強、心肌細胞線粒體含量增加等特點都有利于心臟血液的快速循環供氧;高原特有物種牦牛的肺出現了肺臟重量大、肺泡數多、肺部組織中的毛細血管網很發達的特點,這都有助于提高它們在缺氧條件下的氣體交換機能;生活在山地森林中的鳥類也發生了心肺質量增加等適應性的生理和形態改變,以便獲得足夠的氧氣。(記者 張 蘊)

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【糾錯】 責任編輯: 黃浩
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