发布时间：2024-11-22 04:20:44 来源: sp20241122
怎么把鸟类生命之树，从无法区分物种亲缘关系的“梳子”结构，变成有着清晰演化过程的“二叉树”结构？
浙江大学生命演化研究中心教授张国捷脑海里的一个奇思妙想，不但促成他和国内外学者发起成立了万种鸟类基因组计划，还重构并革新了现生鸟类的系统发育树，厘清了现生鸟类各类群之间的关系，将现生鸟类最大的类群新鸟小纲分为奇迹鸟类、鸽鸨类、陆鸟类和全新确立的元素鸟类四个分支，解决了鸟类类群关系长达一个多世纪的争议，为正确理解鸟类物种演化提供坚实基础。
近日，这一研究成果发表于国际学术期刊《自然》。
采集1万多种现生鸟类的DNA
地球上，现生鸟类有1万多种。达尔文1835年考察加拉帕戈斯群岛时，发现不同岛上鸟类的喙不一样，比如取食果实鸟的喙呈凿状，取食仙人掌鸟的喙尖而长，取食种子鸟的喙粗而尖，取食昆虫鸟的喙细而长等。他受此启发提出共同祖先和自然选择演化的理论。
此后一个多世纪，国际上利用鸟类研究生物学和生态学问题的研究人员众多。对于鸟类生命之树的研究，主要根据鸟类的翅膀、羽毛羽色、喙、颈部等形态的不同，进行分门别类。但是，不同鸟类群体在相同环境下可能形成相似形态，不同鸟类之间还会出现跨物种杂交及基因交流现象，单纯依据形态难以准确回答鸟类之间的关系。
张国捷说，企鹅从飞行变为在海里潜水，与它最近的类群是谁至今众说纷纭。有的说是海鸥，有的说是南美洲和澳大利亚的濒海物种，但都缺乏完整的证据链。
20世纪DNA(脱氧核糖核酸)技术的出现和发展，促使通过DNA相似度解析不同物种之间的亲缘关系，成为主流方法。2008年，在中国科学院昆明动物研究所读博士期间，张国捷看到《科学》杂志上一篇用10多个鸟类DNA片段来破解鸟类生命之树的文章。不过，这个工作只将新鸟小纲里的不同类群，用“梳”状树来展示它们来自共同祖先，没有厘清不同类群出现的先后顺序，以及亲缘远近的问题。因此，并未真正解决过去鸟类生命之树的争议。
张国捷提出，能不能利用更为完整的全基因组数据，把鸟类生命之树从“梳子”结构变成“二叉树”？当时，国内外鸟类分类学领域持两种截然不同的态度。一种是较为悲观态度，认为以当时的技术要收集大量鸟类物种的基因组，是不可能完成的。另一种是比较开放的态度，认为新的数据可能带来希望。
张国捷与合作者一起从每个项目中选取代表物种样本进行全基因组测序，历经4年，发表了第一阶段的一系列研究成果，其中有8篇相关文章在2014年12月的国际学术期刊《科学》同期发表。
随后，他联合多个学者和机构共同发起国际联合攻关项目——万种鸟基因组计划，旨在构建约10500种鸟类的基因组图谱，构建所有现生鸟类物种的生命之树。
协调全球鸟类样品的收集并不容易，有些物种在博物馆馆藏保存条件不佳，需要到当地采集新鲜样品。令他印象最深的一次活鸟DNA样本采集，是2010年在肯尼亚马赛马拉国家公园。
当地鸟类资源丰富，在当地向导的带路下，科考队员一行坐了很久的敞篷越野车，才到达目的地。他们背着装满液氮的保温杯，从活鸟身上采集两三毫升新鲜血液，消毒后放飞——这相当于体检时从成年人身上采集二三十毫升血液，不会影响大多数鸟类的健康与野外生存能力。采集到的血液样本，则会立即放至液氮中一次性冷冻保存，之后带回实验室进行DNA检测。
厚嘴崖海鸦是格陵兰岛一种比较稀有的鸟类，它们生活在海边，巢穴筑在内陆山岩边，且叫声非常吵。2023年，张国捷与科考人员采集厚嘴崖海鸦血液样本过程曲折。他们先坐船，后坐直升机，飞到格陵兰岛内陆地区，人一靠近厚嘴崖海鸦巢穴，它们便发出类似警告的叫声，同类鸟听到这种叫声都飞光了。有时候，厚嘴崖海鸦在冰川和浮冰上觅食或栖息一整天，科考队员出于安全考虑不能攀爬冰川，可望而不可即。
“真是急煞人。”张国捷说。
据他介绍，目前团队已经完成6000多个物种鸟类的DNA样本采集，80%是通过项目合作方的自然历史博物馆冷冻馆藏样本获取，20%是组织科研人员重新捕捉活鸟样本采集。
揭示鸟类鲜为人知的奥秘
在实验室完成鸟类样本DNA检测和测序后，就需要到计算机集群上进行超级计算与大数据比对了。随着采集到的样本越来越多，数据量呈指数级增长，对算力资源和算法模型的要求也越来越高。在最新的研究工作中，一个比较复杂的分析，在德国超算平台上就使用了120万核时的算力资源，即一个CPU运行120万小时，换算成以年为单位则是136.99年。
张国捷说，万种鸟基因组计划的计算，目前主要在中国、丹麦、德国、欧盟、美国的多个超算平台进行。
目前，万种鸟基因组计划完成的基因组解析工作，揭示了鸟类一些鲜为人知的奥秘。万种鸟基因组计划发起者之一、中国科学院动物研究所研究员雷富民研究高原特色物种地山雀，通过基因测序揭示地山雀是如何适应高原环境的，它们即使在高原飞得高，也不会出现高原反应。
自然界中，除了鹦鹉学舌外，还有八哥、斑胸草雀、蜂鸟等都会鸣唱。鸣唱鸟不光是唱出声音来，还通过唱声进行交流。张国捷说，一只雄鸟在竞争配偶时，通常会唱歌给雌鸟听，雌鸟一般会选择歌唱得好的雄鸟进行交配。失败的雄鸟会学习胜者的唱法继续求偶，这种学习能力和语言系统，与人类的语言系统非常像。
浙江大学生命演化研究中心研究员冯少鸿通过对雀形目鸟类基因组的研究发现，有许多古病毒插入鸟类基因组里。大约在两三千万年前，其中一类“逆转录病毒K”伴随雀形目鸟类物种辐射性演化历程，不断插入并被清除。越是近期产生的雀鸟物种，这类病毒残留序列的拷贝数越多，其中一些病毒的残留序列被鸟类废物利用，可以作为开关调控雀鸟大脑基因表达。
翅膀对于鸟类群适应环境、躲避天敌、拥有更广泛的生存空间来说，是至关重要的。但据了解，至少有10类群的鸟类物种出现了飞行退化，像企鹅甚至完全失去了飞行能力。
张国捷团队通过分析发现，企鹅最早是在澳新南部岛屿，然后迁到南极、非洲南部，再到南美洲，往北迁到加拉帕戈斯群岛，不同企鹅物种之间的分化，与地球上新的岛屿形成和海洋洋流密切相关。
渡渡鸟是一种300多年前才灭绝的鸟类。过去，渡渡鸟生活在印度洋毛里求斯岛上，由于没有天敌，生活太好，很肥很笨，翅膀退化不会飞了，直接把蛋产在地上。人类大航海时代，把各种家养动物和老鼠带到岛屿并快速繁衍，急剧破坏了渡渡鸟的生活环境，产下的蛋被这些外来物种蚕食，最终导致其灭绝。
“生命系统在漫长的演化过程中做了无数次实验，各种各样的物种通过DNA改变产生特殊性状和功能，适应特殊环境。这对我们理解和利用基因功能具有重要的启示。”张国捷说。
革新现生鸟类系统发育树
在生物分类学上，被归入鸟纲中的新鸟亚纲，大致又分为古颚下纲和今颚下纲两个主要的类群。在古颚下纲里，则包含了大量人们熟知的无法飞行的鸟类，比如非洲的鸵鸟、澳大利亚的鸸鹋、新西兰的鹬鸵，还有南美洲的大美洲鸵等。今颚下纲进一步分为鸡雁小纲、新鸟小纲两大分支。其他现生近万种鸟类则都隶属于新鸟小纲。
万种鸟基因组计划希望重新构建现生鸟类的系统发育树，提供一套新的鸟类分类划分方案。张国捷说，新的鸟类生命之树将新鸟小纲划分为四大分支。第一大分支是以火烈鸟与为代表的奇迹鸟类。第二大分支是包含鸽、鸨与杜鹃的鸽鸨类。第三大分支是囊括南鸟类和非洲禽类的陆鸟类，前者包括雀鸟、鹦鹉、叫鹤和隼等，后者包括海雕、鹰、美洲鹰以及鸱鸮和啄木鸟等。第四大分支是全新的元素鸟类。这个命名源自拉丁语中的elementum(元素)和aves(鸟)，既包括主要在水域活动的企鹅、潜鸟、信天翁等鹭形类、鹤形类鸟类，也包括主要在陆地活动的麝雉等，还有更擅长在天空活动的夜鹰、雨燕等夜鹰目鸟类。
通过万种鸟基因组计划，奇迹鸟类作为新鸟类的基部类群的系统发育位置，得以重新确认。此类鸟因其外表华丽与行为奇异而闻名，但其系统发育位置也时常引起争论。如火烈鸟曾被错误地归进今颚下纲的各种分支里，则曾被错误地分类进潜鸟目；奇迹鸟类也因其水边栖息的生活习性等因素，被错误地认为与滨鸟以及鹭形类鸟类亲缘关系更近。依据新的鸟类生命之树，奇迹鸟类被划分为新鸟小纲的基部类群，是其他所有新鸟类的“姐妹群”。
张国捷说：“万种鸟基因组计划目标是，揭示地球上整个鸟纲物种演化历史以及其生物多样性的演化机制。”
中青报·中青网记者 李剑平 来源：中国青年报 【编辑:曹子健】