被稱為地球“第三極”的青藏高原，雖然有著世界上最嚴(yán)酷的高原高寒環(huán)境，但也有許多生物在那里繁衍生息。近日，第二次青藏科考高原動(dòng)物多樣性保護(hù)和可持續(xù)利用專題研究團(tuán)隊(duì)研究人員通過對(duì)麻雀的群體基因組研究，結(jié)合心肌、飛行肌組織形態(tài)特征分析，發(fā)現(xiàn)了麻雀屬中的一種——樹麻雀對(duì)高原環(huán)境有著特殊的早期適應(yīng)機(jī)制。
那么，樹麻雀什么時(shí)候開始出現(xiàn)在青藏高原，它們?cè)陂L(zhǎng)期演化中如何調(diào)整自身結(jié)構(gòu)來適應(yīng)高原環(huán)境?帶著這些問題，本報(bào)記者采訪了相關(guān)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(tǒng)稱，它們大小、體色十分相近。其中樹麻雀分布相當(dāng)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(dòng)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(qiáng)。
那么，樹麻雀什么時(shí)候開始出現(xiàn)在青藏高原的呢?
中國(guó)鳥類學(xué)會(huì)理事、中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所副研究員李來興認(rèn)為，青藏高原隆起后，有不少生物先于人類在這里出現(xiàn)，不過樹麻雀卻是與人類相伴出現(xiàn)的。“我們通過長(zhǎng)期研究證實(shí)，在畜牧業(yè)和農(nóng)耕文化同時(shí)存在的青藏高原，樹麻雀筑巢、繁殖、育雛和越冬等生活史，基本圍繞村落和農(nóng)田來完成。由此我們認(rèn)為，樹麻雀這一物種是在青藏高原出現(xiàn)農(nóng)耕文化后，也就是大約3600年前，才由低海拔地區(qū)擴(kuò)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(nèi)長(zhǎng)期適應(yīng)某種環(huán)境，其交配產(chǎn)生后代就會(huì)形成一個(gè)地方種群，這個(gè)地方種群的基因相對(duì)保守，逐漸形成亞種。高海拔地區(qū)常見的樹麻雀，就是在青藏高原地區(qū)封閉的繁殖種群演化出自有特征后，形成的適合高原生存的亞種。
不斷進(jìn)化取得長(zhǎng)久“居住證”
物種如何快速、有效地適應(yīng)自然環(huán)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(dòng)物多樣性保護(hù)和可持續(xù)利用專題研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)種群遺傳結(jié)構(gòu)、歷史動(dòng)態(tài)及全基因組性狀-基因關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在幾千年時(shí)間里，樹麻雀的心肌、飛行肌發(fā)生了明顯改變，而這些性狀直接與適應(yīng)空氣密度低、氧分壓低等環(huán)境的能力相關(guān)。
研究人員對(duì)樹麻雀高、低海拔種群進(jìn)行了群體基因組學(xué)比較研究，出人意料的是，盡管兩種麻雀的外在特征顯示出高度分化，但是它們的遺傳分歧卻非常微弱。
這種反差使研究者產(chǎn)生了另一種聯(lián)想，或許高原樹麻雀外在特征的改變，可能只是動(dòng)物短期應(yīng)激作用的表現(xiàn)。為了驗(yàn)證這個(gè)猜想，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)低海拔樹麻雀進(jìn)行了為期一個(gè)月的低氧習(xí)服(俗稱“服水土”)試驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，低海拔樹麻雀的心肌、飛行肌的相關(guān)性狀并未呈現(xiàn)出想象中的變化，可見，單純從機(jī)體短期適應(yīng)環(huán)境而做出相應(yīng)調(diào)整的角度，也未能解釋高原樹麻雀主要特征變化。
遺傳基因并沒有出現(xiàn)太大差別，短期應(yīng)激作用也不會(huì)帶來相關(guān)性狀的改變，那么樹麻雀在適應(yīng)高原生活的過程中所發(fā)生的一系列的變化，究竟是由什么來決定的?
研究人員發(fā)現(xiàn)，海拔高、低麻雀全基因組上一系列和高原適應(yīng)性性狀相關(guān)的基因(如肌肉發(fā)育相關(guān)的基因)相對(duì)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(gè)特征，遺傳到子代不同個(gè)體時(shí)出現(xiàn)了不同的表現(xiàn)，就像雙眼皮的母親，其后代也可能出現(xiàn)單眼皮一樣。在兩種樹麻雀的對(duì)比試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)了多個(gè)和表型性狀密切相關(guān)的基因位點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)變化，這種被稱為“多基因效應(yīng)”的作用機(jī)制，能夠幫助驅(qū)動(dòng)高原樹麻雀肌肉等表型性狀的快速改變。
研究團(tuán)隊(duì)綜合各項(xiàng)研究結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，與具有長(zhǎng)期適應(yīng)進(jìn)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(tài)”，即一種多基因效應(yīng)與生理可塑性改變的交匯狀態(tài)。
李來興解釋說：“樹麻雀的這種生理變化并非基因突變。隨著環(huán)境變化，動(dòng)物自身的調(diào)節(jié)機(jī)制會(huì)不斷地適應(yīng)新環(huán)境帶來的影響，但這不一定是其遺傳結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。”
低海拔麻雀進(jìn)藏面臨哪些挑戰(zhàn)
試想，一只來自“北上廣”地區(qū)的樹麻雀撲扇著小翅膀，來到青藏高原“旅游”，會(huì)出現(xiàn)什么樣的結(jié)果?“低海拔地區(qū)的樹麻雀來到青藏高原后，首先，和人類一樣，也會(huì)有類似的高原反應(yīng)，表現(xiàn)為3天之內(nèi)心跳頻率很快。第二個(gè)變化出現(xiàn)在3天以后，麻雀身體內(nèi)的血紅細(xì)胞密度全面提高了，幾乎達(dá)到它的生理極限來適應(yīng)低氧高海拔環(huán)境。如果樹麻雀想要在青藏高原定居，還需要機(jī)體上的進(jìn)一步調(diào)整，如強(qiáng)化心肌、飛行肌等。日積月累，這種效應(yīng)就會(huì)在遺傳結(jié)構(gòu)上得以鞏固。這就是我們今天看到的樹麻雀成功擴(kuò)散到青藏高原的艱難進(jìn)化歷程。”李來興如是說。
此外，高原紫外線強(qiáng)烈，廣闊草地缺少林木遮擋;草地景觀色調(diào)單一，艷麗的體色易被天敵發(fā)現(xiàn)……由此，樹麻雀在適應(yīng)進(jìn)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(qū)生活的樹麻雀來到高海拔地區(qū)，還將面臨天敵、諸多病原體等來自生物環(huán)境的威脅。尤其動(dòng)物與病原體之間的斗爭(zhēng)，已經(jīng)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，最后達(dá)成的是動(dòng)物與病原體之間的協(xié)同進(jìn)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(fù)雜，具有世界上中低緯地區(qū)范圍最廣、面積最大的多年凍土區(qū)。獨(dú)特的地理環(huán)境造就了青藏高原夏天涼爽多雨、冬天寒冷干燥、紫外線輻射強(qiáng)、空氣濕度低等自然環(huán)境特點(diǎn)。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，生長(zhǎng)在青藏高原的動(dòng)物中，陸棲脊椎動(dòng)物有1047種，其中特有種106種，在這些陸棲脊椎動(dòng)物中，哺乳綱有28科206種，占全國(guó)范圍內(nèi)總種數(shù)的41.3%;鳥綱有63科678種，占全國(guó)總種數(shù)的54.5%。
李來興表示，動(dòng)物為了能夠適應(yīng)青藏高原低氧高海拔的環(huán)境，身體各項(xiàng)適應(yīng)機(jī)制都在充分發(fā)揮作用。
研究人員發(fā)現(xiàn)，作為青藏高原特有的物種，藏羚羊的心臟重量高達(dá)214.7克，心臟的心肌收縮力強(qiáng)、心肌細(xì)胞線粒體含量增加等特點(diǎn)都有利于心臟血液的快速循環(huán)供氧;高原特有物種牦牛的肺出現(xiàn)了肺臟重量大、肺泡數(shù)多、肺部組織中的毛細(xì)血管網(wǎng)很發(fā)達(dá)的特點(diǎn)，這都有助于提高它們?cè)谌毖鯒l件下的氣體交換機(jī)能;生活在山地森林中的鳥類也發(fā)生了心肺質(zhì)量增加等適應(yīng)性的生理和形態(tài)改變，以便獲得足夠的氧氣。本報(bào)記者 張 蘊(yùn)
