生物技术的发展使我们能够重新构建灭绝动物的古基因，并进而研究古生物机体活着的时候如何运转。利用这种方法，科学家揭开了史前巨兽长毛象如何适应冰河时代严酷环境的谜题。

　　撰文 凯文•L•坎贝尔(Kevin L. Campbell) 迈克尔•霍夫瑞特(Michael Hofreiter)翻译 黄修远 李辉

　　150多年以来，科学家一直主要依靠骨骼和牙齿化石，来重塑史前生物。骨架能够告诉科学家这些古生物的体型大小和身体形态；骨骼上的肌肉附着点显示了这些生物究竟有多么强壮，以及它们可能的移动方式；牙齿形状和磨损程度则揭示了它们的食物种类。总而言之，研究者们必须想方设法从这些坚硬的化石中获取大量的信息。在某些偶然的情况下，他们会有机会获得保存完好的干尸或者冻尸。这使得研究者们能够得到更多细节用以重塑，例如毛发的长度、耳朵的形状、动物最后一顿晚餐所吃的东西等等。尽管科学家已经能够推断过去生命体的物理特征，但对于维持它们生存的生理活动，我们却知之甚少。

　　不过，这个空白正在逐渐填补。生物技术的最新发展已经使得我们有办法重新构建灭绝动物的古基因，并进而复原这些基因所编码的蛋白质——这些蛋白质组成并驱动的细胞机器，构成了这些动物生命活动的基础。这项工作预示着一个令人激动的新科学领域即将诞生：古生理学(paleophysiology)。这一学科将研究古生物机体在活着的时候如何运转。虽然我们在这一领域的研究才刚刚开始，但是我们已经有了出色的成果。我们已经了解了一种具有代表性的史前巨兽——长毛象(woolly mammoth)——是如何适应冰河时代严酷的生存环境的。虽然要像电影《侏罗纪公园》中所描绘的那样，从史前动物的遗骸中将它们克隆出来依旧遥不可及；但我们的工作证明，对于那些早已从地球表面消失了的生物，我们现在已经有办法去了解曾经在它们体内发生过的一些关键生理活动。

　　冷冻样本

　　这个想法来源于坎贝尔。2001年的一个夜晚，当时他正在观看一档纪实节目，节目所拍摄的是从西伯利亚冻土层中挖掘出的完整长毛象遗骸。由于当时媒体正在铺天盖地对1997年的克隆羊多利进行宣传，节目中的专家推测(事后证明是错误的)，通过从长毛象体内提取DNA，科学家也许很快就能使这种生物重现于世。与这个过于宏大而且复杂的计划相比，坎贝尔的想法目的更加明确，也更具有可行性。他想要知道，这种亚洲象的古代亲戚是如何适应高纬度寒冷气候的。

　　化石记录显示，长毛象的祖先全都起源于非洲的亚热带平原，而它们迁徙到西伯利亚地区只不过是在距今不到200万年前。当时，地球刚刚进入历史上最为寒冷的时期之一：更新世冰河时代(Pleistocene ice ages)。就像非洲象一样，长毛象的祖先在它们故乡所面临的最大生理问题是如何避免身体过热。可是，当这一支长毛象迁徙到北方时，由于环境温度下降，保持体温变成了最为重要的事情。

　　我们对于灭绝物种相关的生物学知识，都来自对其化石、冻尸或者干尸的详细研究，因此，对于长毛象如何适应寒冷环境的讨论，主要局限于那些能够从复原尸体上直接观察到的物理性质，比如，长毛象的名称来自那些又厚又长的体毛。物理特征只是这个故事的一部分，而且很可能是非常小的一部分。事实上毫无疑问的是，必定有一系列生理功能对于它们在寒冷环境中的生存而言至关重要。不幸的是，这些生理活动没有在化石记录中留下任何痕迹，因此，我们唯一的希望就是去研究那些从化石中提取出来的破碎的DNA小片段。利用这些基因片段拼凑出一段完整的基因，并将它们植入活细胞中，诱导这些细胞产生那些曾经控制过这些生理活动的蛋白质。然后，我们通过与这些灭绝动物的现代近亲作比较，来仔细研究这些蛋白质是如何在它们体内运转的。

　　虽然相比起让巨兽复生，坎贝尔所提出的用古DNA研究长毛象如何适应寒冷环境这一想法要简单很多，但是仍然还有很多高难度、基础性的生物技术工作需要去做。幸运的是，这方面的古DNA研究有了很大的进展，为实现这一目标铺平了道路。

　　不管保存环境如何理想，在死亡很久的样品体内，存留DNA的量都是非常少的。而且，由于化学损伤，DNA会高度片段化，显得支离破碎。在活着的生物体内，存在两种DNA：一种是简单的环状DNA，存在于产生能量的细胞器——线粒体中；另一种则更为复杂，它们存在于细胞核中。早期关于古DNA的研究都集中在线粒体DNA上，因为它们远比核DNA丰富得多：每个细胞拥有上百个线粒体，但却只有一个细胞核。可是，线粒体DNA在一个细胞全部的遗传物质中只占非常小的一部分，它们所编码的蛋白质也屈指可数，而且都仅用于线粒体内。真正重要的是核DNA。科学家一开始认为，不可能获得足够的核DNA用于研究已经灭绝的古生物。然而在1999年，阿莱克斯•格林伍德(Alex Greenwood，现任职于德国柏林的莱布尼茨研究院，负责动物学和野生动物研究)及其同事发表文章称，他们发现的证据表明，在冻土层中的遗骸里所包含的核DNA小片段能够保存数万年之久，并且其数量足够用于科学分析。

　　尽管格林伍德的研究表明，从长毛象这样的古老生物体内获取小片段的核DNA序列(最多拥有70个核苷酸)是可能的，但是，每一个完整基因都是由成百上千个核苷酸组成的，要确定完整基因的序列仍然是很不现实的。而且，格林伍德的方法会给很多好不容易才获得的古DNA造成损伤。不过，霍夫瑞特找到了解决这一问题的方法。他借用了一种叫做多重PCR的技术，分子生物学家经常用这一技术从现存生物体内获得多重DNA拷贝。这使得我们在研究灭绝生物体生理机能的道路上扫清了一个极其关键的障碍。这一实验技术可用于古DNA研究的首个证据，便是霍夫瑞特于2005年所发表的研究成果。他的研究团队首次成功地组装出一头冰河时代长毛象的完整线粒体基因组(16 500个核苷酸序列)。

　　金毛与红毛

　　在改进了古DNA测序技术之后，霍夫瑞特的团队开始在德国莱比锡重建第一段完整的灭绝物种核基因。这次研究所使用的DNA也是来源于一头长毛象。他们从一块保存非常完好的长毛象股骨中提取了DNA。这块股骨距今43 000年，发现于西伯利亚的大松鸡河(Great Grouse River)。研究者们选择了黑皮质素1受体(melanocortin 1 receptor ，缩写是MC1R)基因作为研究对象，人们认为这段基因决定了鸟类羽毛颜色与哺乳动物毛发颜色。研究者们之所以选择MC1R，是因为它的长度很短，而且很容易插入到用来检测其活性的细胞中。这就使得研究人员可以将DNA序列与可观察的表型联系在一起。

　　由于从冻土保存的长毛象冻尸上复原得到的毛发，既有浅色的，也有深色的，于是，霍夫瑞特及其同事推测，这两种不同的毛发颜色可能就是由于长毛象所拥有的基因不同而造成的，而不是这些毛发在数万年间所接触到的那些化学沉积物导致的。他们对MC1R基因所包含的全部1 236个核苷酸进行了完整的测序，发现有两种不同的基因类型(即等位基因)。他们发现，与非洲象中对应的基因相比，第一种等位基因有一个核苷酸不同，而第二种等位基因则在另外三个位点上也发生了突变。这些突变都会导致其所编码的蛋白质中氨基酸(蛋白质的组成元件)发生改变。

　　让霍夫瑞特及其同事感到很兴奋的是，他们发现这些氨基酸发生了改变的位置中，有两处在进化过程中很少发生改变，但由于其他哺乳动物中缺少可以进行比对的突变，因此他们无法判断这些不常见的氨基酸改变是否会影响到长毛象的毛色。不过，进一步的分析发现，第二种等位基因的三个突变中，有一个突变会导致色素沉着基因活性降低。通过参考其他哺乳动物中色素沉着基因的分子活性，研究者们认为，这个弱化突变可能是导致一些长毛象的毛色变为金色的原因。

　　非常巧合的是，在美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校工作的霍匹•福斯查(Hopi Hoekstra)及其同事也同时发现，现存的白额白足鼠某些种群中存在一种MC1R基因的变异。这种变异与在长毛象第二种等位基因中发现的突变一样，会导致同一个关键的氨基酸被替换掉。更为重要的是，带有这种突变的白额白足鼠毛色为浅色。在沙地环境中，这种浅色毛发为它们提供了一种天然的保护色。然而，长毛象能从这种浅色毛发中获得什么优势，现在还不是很清楚，因为在远古的西伯利亚，即使是金色毛发的个体在那片寸草不生的土地上依旧会显得很显眼。不过，可以想象的是，这种较浅的毛皮能够帮助这些动物在寒冷多风的环境里保持温暖。这已经在现存的浅色鸟类和哺乳动物中得到证实。虽然这听起来很违反常理，因为浅色毛发会反射很多太阳辐射，但是这些毛发也同样能够零星地将一些辐射分散给皮肤，在那里这些辐射将被吸收而转换为热量。相比之下，深色毛发只会将太阳辐射吸收到它的表面，而这些热量很快就会被大风吹散。

　　在成功地重构出长毛象的核基因之后，霍夫瑞特的团队将注意力集中到了尼安德特人(Neandertals)身上。尼安德特人是智人(Homo sapiens)的近亲，曾经生活在欧亚大陆上，在距今约28 000年前灭绝。霍夫瑞特的团队获得了一段由128个核苷酸组成的MC1R基因片段，其所编码的氨基酸替换在现代人类中并不存在。同长毛象的等位基因一样，分析表明这个替换会使其编码的蛋白质的活性比标准现代人的更低。在现代欧洲人中，MC1R的突变也同样导致了类似的蛋白质活性下降，使得这些人的毛发变为红色，皮肤变白，因此，我们推测，一部分尼安德特人可能也拥有红色头发和白色皮肤(虽然其蛋白质活性下降是由另一种突变造成的)。尼安德特人生活在高纬度地区，在那里，用于合成维生素D的紫外线非常稀少。由于紫外线不太容易穿透深色肌肤，因此白皙的肌肤可能有利于尼安德特人吸收足够的紫外线。

　　这些开创性的研究明确证实，可见表型的基因重现如今是可行的。我们现在准备用这些有力的新工具，去研究灭绝物种的生活过程——这是真正的古生理学。

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