DNA技术:发现新物种

通过提取单个基因的片段,科学家们正在使用DNA条形码识别新物种。一位生态学家说,如果能开发出一种便携式的手持扫描设备,它就能“像印刷术改善人们的读写能力一样改善生物多样性”。188金博网注册就送188

“我们又找到了两个!”热带生态学家丹·简森说。虽然和他的电话联系不稳固,但他的兴奋是显而易见的。第一只蝴蝶是两个月前,另一只是两周前。

今年1月,我们在他帮助在哥斯达黎加西北部创建的热带森林保护区瓜纳卡斯特区(Area de Conservacion Guanacaste)与简森取得了联系。简森在那里进行了广受赞誉的生物多样性研究。188金博网注册就送188(他还获得过约翰·d·麦克阿瑟基金会(John D. and Catherine T. MacArthur Foundation)的“天才”奖。)“另外两种”是新发现的蝴蝶,都是发光的蓝色“skippers”。

新物种的发现足以让生物学家热情高涨。但简森显然震撼了他认为更重要的东西——一种称为DNA条形码技术,这些发现可能首先,这承诺改变否则艰巨的过程,确定地球上数以百万计的物种,许多未知和不知名的。

“条形码”这个术语实际上是一个类比。就像一个小型通用产品条形码可以让零售商的扫描仪分辨出一盒组织和一罐青豆一样,DNA条形码技术可以让科学家利用单个基因的微小片段来区分一个物种和另一个物种。虽然不完美,但支持者认为它在区分几乎所有动物物种方面是高度准确的,而植物变种正在开发中。每个物种仅需几美元,而且非常便宜,与传统的DNA分析相比,速度快得像闪电。

最终,甚至有可能将该技术嵌入到廉价的手持设备中。Janzen说,当这种情况发生时,“它对生物多样性的作用就像印刷术对识字的作用一样。”188金博网注册就送188他设想了一个直接从《星际迷航》(Star Trek)中走出来的小工具,一个地球上生命目录的电子阅读器,可以让任何人——教师、农民、好奇的孩子——在瞬间识别出“哪一点生物多样性正在侵蚀他们、吸引他们、困扰他们”。188金博网注册就送188

目前,DNA条形码技术仅局限于能够使用适当设备进入少数几家大型实验室的科学家。但这些新的蝴蝶物种暗示了这项技术的前景。这两种新发现的船长实际上属于最近发现的一大群物种,这些物种多年来一直隐藏在显而易见的地方。就在最近的2003年,科学家们认为蝴蝶被编入了这个名字Astraptes fulgerator都是同一个物种。所有的成年蝴蝶看起来都一模一样,虽然,神秘的是,它们的幼虫的颜色模式不同。那一年,宾夕法尼亚大学的生物学教授Janzen将他的团队收集的几十只蝴蝶的组织样本交给了开发条形码技术的安大略省圭尔夫大学的遗传学家Paul Hebert。他的分析很快发现,不是一个,而是10个不同的物种。

Janzen说,这两项新发现使总数达到12个,甚至可能还会有更多。科学曾经发现了一种占据着各种各样热带栖息地的通才物种,而DNA条形码已经发现了一系列实际上专门占据不同栖息地的物种。为什么它们都模仿同样的颜色图案仍然是个谜,尽管这可能给它们的进化带来了一些优势。简森认为,这可能是向潜在的捕食者发出的“别打扰”的信号。飞行速度异常快的船长对饥饿的鸟类应该失去任何吸引力,这些鸟类在年轻时就学会了不要浪费精力追逐难以捕捉的猎物。

在物种发现领域之外,这项技术正在迅速找到方法应用于一系列实际应用,从帮助卫生机构控制虫媒疾病,到帮助航空公司和军队避免与鸟类发生灾难性的飞行碰撞,再到帮助监管机构监测河流和湖泊质量。

赫伯特说,尽管他在几十年的野外工作中一直渴望更好的方法来探索生物多样性,比如在热带的新几内亚和加拿大的北极地区,DNA条形码的想法确实是他突188金博网注册就送188然想到的。上世纪90年代末的一天,他在一家超市里查看零售条形码,突然发现了这个东西。

“我突然想到,如果零售行业可以用几个数字代表大量的产品,为什么我们不能以同样的方式看待DNA ?””他说。赫伯特很快开始着手确定他是否能找到所有物种共有的基因片段,从而产生足够的信息来区分它们。他需要找到足够小的DNA来快速测序。它需要,就像金发姑娘可能会发现的DNA一样,“刚刚好”。该基因必须是一个突变足够快,以区别于最近进化的祖先的基因。但它也必须变异得足够缓慢,使条形码在一个物种内不会有显著变化。


条形码
DNA条形码显示,这些长相相似的蓝蝴蝶实际上是两种截然不同的物种,尽管它们的DNA化合物的模式与猫头鹰物种相比仍然有更多的共同点。苏斯贝特森,圭尔夫大学

他在一个名为细胞色素c氧化酶亚基1 (COX1)的基因的前648位DNA上发现了一个正确的序列。每条DNA长链只包含四种核苷酸:腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶。它们排列的复杂图案决定了你的眼睛是蓝色还是棕色,或者一个生物体是斑马还是斑马鱼。赫伯特发现,只要简单地记录COX1基因上被称为核苷酸的DNA化合物的精确顺序,他就拥有了一个事实上的条形码,可以定义一个独特的物种。结果是,一个独特的a、G、T和C序列的彩色编码图表看起来足够像超市的条形码,使这个类比令人惊讶地恰当。正在为植物开发条形码技术的科学家们现在认为,他们可能需要使用两到三个基因的DNA来获得准确的结果。

“当时有很多人怀疑我们是否能够交付一些真正有效的东西,”Hebert在谈到本世纪初的时候说,当时他试图为追求这项技术寻找支持,但在很大程度上失败了。从林奈时代开始,一些传统的分类学家的核心工作就是对物种进行近距离的视觉比较,他们对此尤其持怀疑态度。事实上,在一些杂交物种和最近从其他物种进化而来的物种中,条形码需要更详细的遗传分析或视觉比较来支持。但它在很多情况下是有用的,包括大约98%的动物物种,条形码项目现在正爆炸性地增长。

伦敦自然历史博物馆(Natural History Museum)和华盛顿史密森学会(Smithsonian Institution)正在合作一个项目,为世界上所有已知的蚊子物种进行条形码。这应该可以更好地针对疟疾和其他毁灭性疾病的媒介物种。这个2007年初才开始的项目已经解决了南美的一个难题。一种被称为奥斯瓦尔按蚊(Anopheles oswaldoi)的明显单一物种分布在很广的地区,但奇怪的是,似乎只是在其分布范围内的部分地区是疟疾的传播媒介。DNA条形码显示,它是四个不同的物种,其中只有一个似乎是疾病的载体。未来的控制方案现在可以集中于控制水生的有害物种的幼虫。

2007年5月,美国食品和药物管理局(U.S. Food and Drug Administration,简称fda)利用条形码技术发出警告,称一批疑似来自中国的安康鱼实际上似乎是一种有毒河豚。美国空军和联邦航空管理局(FAA)已经资助了史密森尼赞助的北美鸟类条形码项目。在纯粹的发现方面,这项研究给科学家们提供了新的线索,来决定一些亚种群是否属于他们自己的物种。但军方和联邦航空局出于更直接的实际原因资助了该项目。科学家们现在正在使用从飞机上采集的血液和组织样本,试图更好地了解哪些鸟类以及在哪里会造成碰撞风险。赫伯特在今年1月表示,就目前条形码上的物种数量而言,“我们拥有35000个物种,对此我们感到非常高兴。”今天,几乎所有的条形码技术都是在北美的几个实验室、在圭尔夫大学的赫伯特自己的条形码“工厂”和史密森尼的一个设备中完成的。但是他说,如果为新的跨国国际生命条码联盟(iBOL)提供资金的话,再过5年,世界物种目录中的50万种物种就可以进行条形码了。这将是完善一个类似ipod的物种解读器的第一步,它将包含一个微型DNA测序器和一个塞满数百万个条形码的微型内存芯片,或者赫伯特所说的“地球上的生命在盒子里”。

另一个技术飞跃可能会有所帮助。Guelph实验室最近获得了加拿大政府公司的资助,购买了一对设备,可以以惊人的速度进行大量的DNA分析。传统的设备现在可以在大约两个小时内提供96个DNA“读取”,一年可以提供约40万个条形码记录。新设备可以在两个小时内提供40万条记录。随着设备的投入使用,赫伯特设想了一个“环境条形码”的新时代,即从未分类的大样本中分类出不同的物种组合。他说,想象一下从雨林树冠上收集到的一公斤昆虫。“我们可以把它们混合成虫子奶昔,”他说,“把它们扔进漏斗,然后在几个小时内告诉你你收集到的1000种虫子是什么。”或者我们可以吸出一点河底,很快就能知道有什么物种存在。”