科学家们如何“复活”猛犸:一次前路漫漫的野心之旅

科学家们如何“复活”猛犸:一次前路漫漫的野心之旅
2018年09月18日 09:53 新浪科技-自媒体综合

  来源:北京科技报

  让最令人震撼的史前生物复活,科学家已看到曙光。究竟是克隆猛犸,还是把猛犸基因转入大象里,来看疯狂科学家们如何“复活”猛犸。

  在所有的已灭绝动物中,除了恐龙,最为人知的恐怕就是猛犸象,它的受欢迎程度可算作冰河时期的大熊猫。巨大的象牙和长毛让人过目不忘,在很多艺术作品中,最后一批幸存的猛犸阔步走在寒冷的西伯利亚苔原上,雄壮中透着一股悲凉。如今,基因编辑技术带给了科学家“复活”古生物的希望,可真正复活猛犸象,还有很长的路要走。  

▲猛犸象是最受欢迎的古生物之一。(来源:New York Post)▲猛犸象是最受欢迎的古生物之一。(来源:New York Post)

  猛犸灭绝的原因难以确定

  假如猛犸会说话,它可能会说,“我不想知道自己是怎么来的,我就想知道自己是怎么没的。”这剧小品中的台词,很适合来形容猛犸象的研究现状。科学家们已经开始通过各种生物技术试图“复活”猛犸,而对于猛犸灭绝的真正原因却无法定论。

  猛犸象有很长的演化历史,它们的祖先南非猛犸象在300万年前离开非洲向北迁移,最终遍布欧亚大陆,成为更新世中后期地球分布最广的陆地哺乳动物。今天人们一般说的猛犸象是指真猛犸象,又称长毛猛犸象(Mammuthus primigeniu),是猛犸象家族中最后的物种。原始的真猛犸象一直在西伯利亚地区繁衍生息,约20万年前,它们才从西伯利亚扩散到了欧洲和亚洲其他地区。又过了10万年,它们穿过白令海峡来到了北美州的北部。当时北美洲的南部还生活着哥伦比亚猛犸象,它们各占一方,一片祥和。

▲最后留下的长毛猛犸与今天非洲象体型相当。(来源:DeviantArt)▲最后留下的长毛猛犸与今天非洲象体型相当。(来源:DeviantArt)

  经过了“短暂”的繁荣后,这些地球曾经的霸主在1万年前开始从大陆上消失,最后一群生活在北冰洋弗兰格尔岛的真猛犸象,一直坚持到了距今3700年前。由于猛犸象存在大量的化石,甚至在西伯利亚地区发现了多只完整的猛犸遗骸,它们成了被研究最多的史前物种。

  绝大多数猛犸在更新世晚期和全新世早期消失了,它们属于第四纪灭绝事件中消失的物种之一。关于第四纪灭绝事件的成因,科学家提出了两种假说:气候变化和人类捕猎。对于猛犸的灭绝,科学家对归咎于两者其一作为主要因素,还是两者结合也存在分歧。

  气候假说认为,在冰河时期快结束时,由于气候变暖,海平面上升导致了适合猛犸的栖息地大规模减小,最终致使猛犸灭绝。但由于猛犸并有完全消失,有些种群在相对狭小的岛屿上又生存了数千年,所以栖息地的减小未必是它们灭绝的主要成因。

  人类捕猎假说也有很多证据,最典型的就是猛犸消失的时间与人类活跃的时间吻合,科学家在多处人类遗迹中同时发现了猛犸的骨骼,壁画中刻着猎杀猛犸的场景,甚至发现了一个完全由猛犸骨头制成的小屋。不过,科学家通过对某地猛犸象DNA测序发现,它们的减少持续更久,远在人类活动出现之前,而最终是突然灭绝。人类猎杀假说还受到很多质疑,其一就是与猛犸同时代,也被人类猎杀的野牛、驼鹿等大型哺乳动物为什么没有灭绝?

▲科学家在北极地区发现了猛犸被人类狩猎的痕迹,以此推断4.5万年前人类就迁移到了北极。(来源:Science)▲科学家在北极地区发现了猛犸被人类狩猎的痕迹,以此推断4.5万年前人类就迁移到了北极。(来源:Science)

  近几年,科学家又找出了各种可能导致猛犸的证据,如对弗兰格尔岛上的猛犸象臼齿样本进行了全基因组测序,发现了遗传多样性降低,却保持了稳定,同时他们也发现了遗传缺陷,灭绝是猛犸自身的原因;对圣保罗岛的地质探测则发现,这里在5600年前淡水开始减少,研究者提出淡水的匮乏导致了当地猛犸的灭绝……无论哪种说法,猛犸的灭绝都不能确定,也许正是因为生命的复杂性,它们消失也许有更深刻的内在联系。

  “复活”猛犸,说来容易做起难

  随着越来越多的冷冻遗骸被发现,科学家渐渐有了“复活”猛犸的雄心壮志。“复活”(De-extincition)并不是单纯地指复活某一物种,而是具有抗灭绝或反灭绝的意思,具有更深远的意义。反灭绝的过程可以包括重新生育出已灭绝的物种,或是创造出外观类似的个体,这是一个创造新生物的过程,新的生物能否复原已灭绝物种的习性并繁衍下去也被考虑在内。

▲猛犸象Lyuba,死时只有一个月大,是至今为止的最完整的猛犸象标本。(来源:Live Science)▲猛犸象Lyuba,死时只有一个月大,是至今为止的最完整的猛犸象标本。(来源:Live Science)

  目前,复活猛犸主要有两个尝试的方向,一是用细胞生物学的方法,实现猛犸象的克隆。这是个三步走的方法,和把“大象装冰箱”一样“简单”。

▲克隆猛犸,只要“简单三步走”。(来源:Geek.com)▲克隆猛犸,只要“简单三步走”。(来源:Geek.com)

  第一步是找到冻土中的保存完好,具有完整功能的猛犸象细胞。本来这一步非常困难,因为在动物死亡的那一刻起,细胞内的DNA也开始降解,在实验室里保存好的DNA也要使用化学试剂对其严防死守,使其避免被破坏。科学家们很幸运,在永久冻土中的残骸发现了保存完好的细胞。

  第二步是利用现代大象的卵母细胞作为受体,将猛犸细胞植入,形成具有发育功能的胚胎细胞,实现异体克隆。 “把大象装冰箱”很艰难,这里需要克服克隆效率的问题。能否获得足够多的卵细胞也是问题,因为亚洲象已经被列在世界自然保护联盟(IUCN)列为濒危物种红色名单。但在去年2月,华大基因研究院首席科学家徐讯向媒体透露,我国科学家已经恢复了猛犸细胞的全功能,形成了胚胎细胞。

  导致至今没有复活猛犸的则是第三步,将重构胚胎细胞移植到代孕母象的子宫内,让其发育成猛犸个体。因为强烈的排斥反应,根本找不到适合最终“关上冰箱门”的代孕母亲,即使和猛犸象最为亲近的亚洲象相比,两者基因组差异仍有4.7%。

▲基因编辑技术复活猛犸(来源:PA)▲基因编辑技术复活猛犸(来源:PA)

  另一个方向是基因编辑,这与《侏罗纪公园》中的情景十分相似,电影中科学家从琥珀中的蚊子血液中提取了恐龙基因组,又用了青蛙DNA进行填补,最终将恐龙复活。科学家认为这种方法理论上是可行的。2015年,一个由瑞典科学家领导的团队从两只真猛犸象中DNA中得到了完整的基因组测序。所以,只要知道了基因所对应的功能,再把关键的DNA片段导入到他们现存的亲缘物种里,替换掉原有的基因,就能实现猛犸的”复活”。

  例如,找到可以决定猛犸象毛发性状的基因,并据此改造亚洲象的基因组,就有望创造出“长毛大象”。当然,什么基因对应着什么表达,至今对科学家来说都是棘手的问题,况且某些特定的基因还会与环境发生相互作用,DNA序列不发生变化的情况下,基因表达的功能却发生了变化,如何找出它们并重塑环境,未来的路充满曲折。

  丘奇的疯狂

  在使用基因编辑技术复活猛犸的科研团队中,不得不提一位“疯狂”科学家,被称为合成生物学之父,哈佛大学遗传学教授乔治•丘奇(George Church),2015年3月,丘奇和他的团队利用CRISPR技术,把从冷冻的猛犸遗骸的耳朵,脂肪和毛发中提取的DNA碎片提取出来,移入了现代亚洲象的皮肤细胞中,这是猛犸象在灭绝后,它们的基因首次处于了活跃状态。有意思的是,至今未有相关论文发表出来,哈佛的团队似乎在酝酿着更多的东西。

▲乔治•丘奇,截至目前发表了482篇论文,获得了130项专利,联合创立了22家公司(来源:Genetic Literacy Project)▲乔治•丘奇,截至目前发表了482篇论文,获得了130项专利,联合创立了22家公司(来源:Genetic Literacy Project)

  丘奇的复活猛犸团队组建于2012年,当时《全球概览》创始人斯图尔特•布兰德(Stewart Brand)在筹备复活猛犸、旅鸽等灭绝物种时找到了丘奇,希望他能提供技术上的帮助。丘奇很自然的想到了“基因剪刀”CRISPR——一种有效、便捷的基因编辑技术,可以对DNA进行修剪、添加或替换。而丘奇正是最早将CRISPR用于人类细胞的科学家之一。最近几年,科学家利用CRISPR攻克了不少遗传学难题。

  这个“复活者”团队,开启了一个长期规划。美国畅销书作家本•莫兹里奇(Ben Mezrich)把“复活者”团队攻克猛犸复活难关的经历写成了书,《又见猛犸象:基因剪刀重新定制生命》。书中首次披露了PayPal创始人彼得•蒂尔(Peter Thiel)对丘奇团队投入了10万美元的赞助。作者描述了丘奇团队的最终目标:把猛犸复活出来,并带到西伯利亚,以此改善生态环境,对抗气候变化。

  丘奇在2017年2月举办的美国科学促进会(AAAS)上宣称,只要有两年时间,就能制造出大象与猛犸象的杂交胚胎,最终在人工子宫内孕育“猛犸”。此时他的团队已经将45类猛犸象的DNA转移到了亚洲象的细胞内(表达出更茂密的毛皮、更厚的脂肪、低温下输氧的红细胞等)。此事经过媒体的传播,甚至变成了2年后就能复活猛犸,引起了国际广泛的关注。

▲丘奇的“复活者”团队,左二是来自中国的女科学家杨璐菡。(来源:Baku)▲丘奇的“复活者”团队,左二是来自中国的女科学家杨璐菡。(来源:Baku)

  实际上,丘奇知道复活猛犸可能是最不可能完成的项目。在今年2月,丘奇接受了Baku的采访,他表示:“这不意味着我们要让北极苔原地区遍布猛犸象,我不知道距离那还有多远。” 。对他来说,复活猛犸是创造一种此前从未有过的生物,希望以此能够保护生物,并使用能抗寒的大象重建北极苔原的气候。

  今年64岁的丘奇一辈子在跟DNA、细胞打交道,他开发的基因组测序工具首次完成了幽门螺旋杆菌的测序,1984年帮助开启了人类基因组计划,在合成生物学贡献颇丰。之所以说他疯狂,是因为他总是在尝试新的东西,把不可能变为可能。丘奇还开发了多种利用DNA分子特性的用途,比如进行数据存储,甚至把他自己的专著用碱基对的形式写了下来,他还用DNA分子技术来帮助探测暗物质……复活猛犸,只是丘奇众多新奇想法,并想实现的愿望之一。

  复活,不那么简单

  很多科学们认同“复活”或是反灭绝的做法,因为通过相关技术能更好的保护如今未灭绝的生物。但是,在提出复活猛犸或其他动物时,除了技术上的难题外,也带了很多其他问题。

  2015年,加州大学圣克鲁兹分校的进化生物学教授Beth Shapiro撰写了《如何克隆猛犸象:复活的科学》一书就探讨了“复活”中的诸多问题。她希望看到猛犸能自由地漫步在旷阔无垠的冻土苔原上,不会再面临灭绝的风险。她称之为复活的第二阶段。第一阶段则是复活出个体。但是,复活的标准不一,只要复制出了外观相似的大象就是复活,还是能按猛犸象过去的生活方式繁衍生息算作复活?

  在另外一些反对复活的专业人士看来,猛犸象的灭绝是因为不适应环境的变化,而“复活”是对干涉自然淘汰的行为,违背自然规律。中国科学院南京地质古生物研究所研究员袁训来就认为,地球上物种生存200-300万年后灭绝是正常的自然现象,实验室复活猛犸象并不能改变地球物种灭绝的自然规律,在生物进化研究方面并不具特别有价值的意义。

 ▲因为人类影响而灭绝的动物,成为了复活的“明星”物种。(来源:Encyclopedia Britannica) ▲因为人类影响而灭绝的动物,成为了复活的“明星”物种。(来源:Encyclopedia Britannica)

  研究表明,复活一只灭绝物种的成本极高,高达数百万美元,而目前有2万多种生物正濒临灭绝,资金流动会削弱对今天濒危动物的保护。所以不少科学家认为复活猛犸是得不偿失,不如把精力放在保护现有的动物中。

  如果复活出来的动物并不能适合野外生存,只能供人观赏,甚至只能待在恒温箱中,它的命运仍然是灭绝。复活了灭绝生物可能会把原始共生的寄生虫也同时带过来,而这些影响完全未知。复活的动物会不会成为新的入侵物种等等不可控的因素,让很多科学家对“复活”持否定态度。

  在支持者中,因为猛犸象等灭绝物种有很大的原因是人类的行为导致灭绝,他们认为再让它们重生是人类的义务。他们相信复活动物有望丰富地球的生物多样性,甚至能恢复某些被破坏的生态环境——正如丘奇所设想的。

  在掌握了“复活”猛犸技术后,尤其是基因编辑方面,科学家可以也许能复活更多的物种,同时也可能把相关的技术施于人类,又带了一系列伦理问题——我们会打造完美人类吗?

  虽然有如此之多难以回答的问题,但几乎没有人否认胚胎移植和基因编辑在医学上巨大的潜力。科学家对于猛犸复活的努力,更像在秀出人类在生物技术的“肌肉”,无论支持还是反对,我们正在挑战生物学的极限。

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