群體基因組學解密北極熊起源和適應性演化

向薛雁　易堅

基因組學在生物研究中起非常重要的作用，近年測序技術(shù)的發(fā)展讓基因組測序成本大幅降低，再加上對基因組進行群體遺傳學分析的方法逐漸成熟，群體基因組學已經(jīng)成為研究物種起源、適應性、多樣性等問題的最有效的方法之一。

由于全球氣候變暖，生態(tài)單一的北極圈生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了很大變化。北極熊的生活環(huán)境隨之發(fā)生改變，生存率和生育率逐年下降，生存受到極大威脅。1973年，多個國家共同簽署了《北極熊及生境養(yǎng)護國際協(xié)定》，該協(xié)議旨在保護北極熊的生態(tài)環(huán)境。隨后更多的國家和組織加入了保護北極熊的行列。

與此同時，科學家也利用先進的技術(shù)手段對北極熊展開多方面的研究。幫助人們更深入地了解北極熊，為保護北極熊提供堅實的科學基礎(chǔ)。

北極熊的特殊生理特征

北極熊，因為毛發(fā)看起來呈白色，所以又稱白熊。是現(xiàn)存最大的食肉動物，北極圈的頂級捕食者。主要分布在北極圈，包括北冰洋及其附近陸地，如弗蘭格爾島、阿拉斯加北部、格陵蘭島、瓦爾巴群島、俄羅斯北部地區(qū)等。

北極天氣極度寒冷，為在這極端環(huán)境中生存，北極熊演化出非常獨特的生理特征：全身披覆白色的濃密毛發(fā)，毛發(fā)下的皮膚是黑色。這種特殊構(gòu)造有助于它們在冰雪覆蓋的北極進行捕獵，增加捕食成功率。北極熊的白色毛發(fā)呈中空的透明導管狀，而粗糙的毛發(fā)內(nèi)表面可以使光線發(fā)生多次折射，最后經(jīng)過透明的毛發(fā)被黑色皮膚吸收，轉(zhuǎn)化為能量維持體溫。

北極熊皮毛下是厚達12厘米的脂肪層。厚厚的脂肪層可減少體內(nèi)熱量散失，保持體溫。脂肪組織本身也是一個巨大的“身體能源站”，能儲存大量能源，為北極熊度過漫長休眠期提供了充足的能量儲備。北極熊的休眠期不同于冷血動物，它是由于夏季食物稀少，為減少能量消耗而進入睡眠狀態(tài)，一旦遇到外界刺激，可迅速蘇醒。對于生育了幼熊的母熊，則可將皮下脂肪轉(zhuǎn)換成乳汁哺育幼崽，科學家曾發(fā)現(xiàn)北極熊的乳汁中脂肪含量（高達31%）是現(xiàn)有哺乳動物中最高的。富含脂肪的乳汁可讓小熊獲得足夠的能源和營養(yǎng)物質(zhì)。

雖然厚厚的脂肪層使北極熊看起來非常笨重，但是北極熊的奔跑速度仍非?？欤瑫r速可達40公里。在水中的游泳速度也能達到10公里/時，并能持續(xù)游長達100公里路程。這非凡的耐力為北極熊在浮冰與浮冰之間、浮冰與島嶼之間的遷徙提供了可能。其實北極熊的學名（Ursus maritimus）的含義是“生活在海里的熊”，因為很久之前，人們以為它是生活在水中的一種熊。

北極熊對脂肪的需求量非常大，它最喜歡的食物是富含脂肪的海豹，但是北極熊在水中游泳速度不及海豹，因此經(jīng)驗豐富的北極熊會采用偷襲、守株待兔等智取的方法進行捕獵。

北極熊常年生活在北冰洋的浮冰上，在浮冰上捕食、冬眠、養(yǎng)育幼熊。但是近年來由于溫室效應導致氣候變暖，北極冰蓋面積在縮小。夏季時浮冰大量消融，導致北極熊生存所必需的浮冰減少，同時海豹數(shù)量也減少，缺少食物來源的北極熊生存率下降。越來越多的北極熊會在夏天浮冰消融時游到附近的島嶼上生活，并且會改變食性，吃一些苔蘚、青草等植物。近來的一些觀察發(fā)現(xiàn)，在食物嚴重不足時，一些雄北極熊甚至會捕殺雌熊或幼熊。

北極熊在肉食動物食物鏈的頂端，對環(huán)境變化極其敏感。近年來北極圈附近的島嶼曾發(fā)生多起北極熊襲人事件。而之前北極熊與生活在島嶼上的人和諧相處，未有沖突。科學家認為這是由于人類活動導致北冰洋環(huán)境中含有大量污染物，這些污染物從魚傳遞到海豹再傳遞到北極熊，被逐級富集的污染物質(zhì)使北極熊的內(nèi)分泌激素紊亂，從而導致北極熊性情不穩(wěn)定而攻擊人類。

北極熊的起源

熊科包含2亞科6屬9種——大熊貓、眼鏡熊、棕熊、北極熊、美洲黑熊、亞洲黑熊、北非棕熊、懶熊、馬來熊。其中北非棕熊已滅絕。熊科動物的演化一直備受關(guān)注，比如大熊貓的分類曾長期困擾著科學家，有人認為它屬于熊貓科，有人認為屬于熊科，也有人認為應該歸類于浣熊科。后來利用大熊貓DNA數(shù)據(jù)分析，證實大熊貓應歸類于熊科。

由于北極熊的獨特特征，其起源問題也一直是科學家關(guān)注的熱點。科學家根據(jù)部分化石以及DNA數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)北極熊和棕熊的親緣關(guān)系較近，推測北極熊可能從棕熊演化而來。由于至今只發(fā)現(xiàn)極少的北極熊化石，僅從化石角度研究北極熊演化歷史準確度不高。另外北極熊和棕熊的親緣關(guān)系很近，沒有產(chǎn)生生殖隔離。北極熊和棕熊在動物園和自然狀態(tài)下都能發(fā)生雜交，并產(chǎn)生可育后代——灰北極熊。

2006年一位獵人在加拿大班克斯島射殺了一頭貌似北極熊的熊，它有著和北極熊一樣長的脖子和白色皮毛，而背部和四肢等部位呈棕色，爪子亦比北極熊長，這些特征明顯與灰熊相符。也有一些特征則處于北極熊和棕熊的中間狀態(tài)，比如它的體型介于高大的北極熊和矮小的棕熊之間，頭的大小處于瘦小的北極熊和臃腫的棕熊之間。后來的DNA數(shù)據(jù)證實這頭熊并非北極熊，而是公棕熊和母北極熊的雜交種——灰北極熊。在歷史上北極熊和棕熊很有可能發(fā)生了多次雜交，這又給確定北極熊的起源增加了困難。

隨著DNA測序技術(shù)的發(fā)展，近年來基于分子遺傳學的方法來研究北極熊的起源取得了不少進展。然而這些研究的結(jié)論亦有不少相互矛盾的地方。

2011年愛德華茲（C.J.Edwards）利用古棕熊、古北極熊、現(xiàn)代棕熊和現(xiàn)代北極熊的線粒體DNA來研究北極熊的起源。發(fā)現(xiàn)古北極熊并非現(xiàn)存北極熊的直系祖先，現(xiàn)代北極熊的母系遺傳物質(zhì)都來自距今5.1萬至2萬年前的愛爾蘭的古棕熊，這段時間里在北極熊和棕熊領(lǐng)地重疊的區(qū)域，北極熊和棕熊發(fā)生多次雜交，且研究認為雜交事件和氣候變化關(guān)系密切。

2012年米勒（W.Miller）對1只北極熊、3只棕熊和1只黑熊的全基因組數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，北極熊和棕熊是在距今500萬至400萬年前開始分開演化。且根據(jù)線粒體DNA的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，北極熊和ABC島（美國阿拉斯加州東南部的Admiralty、Baranof、Chichagof三島）的棕熊在距今20萬至10萬年前有多次雜交，因此有頻繁的基因交流。

同年，赫勒（F.Hailer）對4只棕熊、1只北極熊、1只黑熊和1只大熊貓的DNA數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)核DNA的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)北極熊是在距今93.4萬至33.8萬年前與棕熊分開的。且研究發(fā)現(xiàn)在距今16.6萬至11.1萬年前，北極熊線粒體DNA中滲入了ABC島棕熊的線粒體DNA片段，這進一步證明北極熊和ABC島棕熊之前發(fā)生了多次雜交。

2013年卡希爾（J.A.Cahill）利用7只北極熊、2只棕熊和1只黑熊的基因數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)ABC島的棕熊的X染色體上有6.5%片段來源于北極熊，而總體的染色體上只有不到1%來自北極熊。他們認為這是因為之前ABC島的熊都是北極熊，后來由于氣候變暖、冰川消融被困在島上。有公棕熊因為開拓領(lǐng)地的原因到達ABC島，并與當?shù)氐拇票睒O熊雜交，產(chǎn)生的后代的性狀越來越像棕熊，但是其X染色體仍保留了北極熊的片段。研究表明ABC島的棕熊和北極熊關(guān)系特殊，因而使之前北極熊起源的研究錯綜復雜，矛盾重重。

上述研究的一個關(guān)鍵問題是古北極熊和古棕熊進行了雜交。目前已知北極熊和棕熊之間沒有生殖隔離，那么地理隔離會不會導致兩個物種沒有雜交機會？答案是不會。雖然觀察到的自然狀態(tài)的北極熊和棕熊雜交事件稀少，但近年來由于溫室效應導致全球氣候變暖，北極地區(qū)的溫度有所上升，逐年縮減的北極浮冰導致北極熊上岸次數(shù)增加。北極熊和棕熊的接觸機會越來越多。歷史上發(fā)生過多次氣候變暖事件，這將會給北極熊和棕熊雜交提供充分的環(huán)境條件。

雖然科學家也用各種先進技術(shù)和手段對北極熊進行研究，但起源問題仍備受爭議。最新的研究讓北極熊的起源問題得以清晰起來。

研究生物起源的利器——群體基因組學

群體遺傳學（population genetics）是一門研究生物群體遺傳結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律的學科。它運用數(shù)學和統(tǒng)計學的方法，研究群體的基因頻率、基因型頻率和群體大小、交配體制、自然選擇、基因突變、遷移和遺傳漂變等對群體遺傳結(jié)構(gòu)的影響，從而對生物演化過程中的細節(jié)進行探討和剖析。

20世紀初，英國數(shù)學家哈代（G.H.Hardy）和德國醫(yī)學家魏因貝（W.Weinberg）提出了群體遺傳學的理論基礎(chǔ)——遺傳平衡定律。在經(jīng)歷了最初的理論研究和實驗探索階段，目前群體遺傳學已發(fā)展到分子水平。隨著DNA測序技術(shù)的普及和基于溯祖理論建立的各種計算機軟件分析程序的開發(fā)與應用，群體遺傳學進入了大數(shù)據(jù)推動的基因組時代，發(fā)展迅速，科學家開始用群體基因組數(shù)據(jù)研究群體遺傳學的問題。

目前，群體基因組學已廣泛應用于人類學課題的研究。如從基因組水平研究人類起源，人亞群間的親緣關(guān)系、基因交流和演化途徑。之前的研究是根據(jù)人類化石分析人類的演化遷移歷史。隨著DNA測序技術(shù)的發(fā)展，可以通過研究不同群體人群的線粒體DNA（單純來自母系）、Y染色體DNA（單純來自父系）來分析種群間的基因交流情況。線粒體DNA和Y染色體DNA的分析結(jié)果都指出，現(xiàn)代人類擁有共同的非洲祖先。雖然人類走出非洲這一理論目前仍處于爭論階段，被不斷質(zhì)疑，但至少群體基因組學對于研究物種的起源和演化已足夠科學、實用、可靠。同樣，通過比較正常人群的和特定的患病人群的基因組信息，可以確定哪些基因的突變會引起某些特定疾病的發(fā)生，從而在分子水平上探討疾病的發(fā)生機理、遺傳規(guī)律等。

同時，群體基因組學也被廣泛應用于研究動物的起源和適應性。家犬的祖先是狼，這已得到普遍認同，但狼是在何時何地、怎么被馴化成家犬的爭論卻很大。通過對來自五大洲的654只家犬的線粒體DNA進行分析，發(fā)現(xiàn)在1.5萬年前，人類在東亞最先開始馴化狼等動物。阿克賽爾松（E.Axelsson）和林德布拉德-托赫（K.Lindblad-Toh）對12條世界各地的狼和60只家犬（14個不同品種）進行了全基因組測序分析，用群體基因組的方法解釋了家犬的馴化過程。在家犬的基因組中，有l(wèi)o個淀粉消化和脂肪代謝的基因的序列與狼的有很大不同?？赡苁窃隈Z化的早期，狼的食性逐漸發(fā)生了一些變化，最終這些食陸變化了的狼演化成為家犬的祖先。

群體基因組學分析與傳統(tǒng)分析手段相比，有許多優(yōu)點。例如，與傳統(tǒng)古生物學相比，群體遺傳學可以根據(jù)遺傳信息了解群體的遷移，有效群體大小的變化等；古生物學研究受到化石材料的限制，而群體基因組學需要的DNA材料在測序技術(shù)發(fā)達的當今已經(jīng)可以快速且高通量地獲取。與之前的基因組學研究相比，當時用線粒體DNA或部分局部DNA分析，因為數(shù)據(jù)量不足，得出的北極熊和棕熊的分化時間段非常模糊（距今500萬至60萬年），因而無法明確棕熊和北極熊的復雜演化歷史。而群體豐富的數(shù)據(jù)能將分辨率達到10萬年，并能發(fā)現(xiàn)群體之間的快速適應機制，從而了解生物適應環(huán)境的獨特性，比如北極熊對嚴寒天氣的適應，對高脂肪生理的適應等。另外群體遺傳學還能發(fā)現(xiàn)物種間的基因滲入及比例。

揭秘北極熊的起源

深圳華大基因研究院、美國加利福尼亞大學、丹麥哥本哈根大學等單位發(fā)起北極熊群體遺傳學的研究，主要是用群體的研究方法，從北極熊基因組水平，分析其種群的遺傳結(jié)構(gòu)及其北極適應性。研究人員對一只來自歐洲北部的北極熊進行了高深度測序，獲取了它的全基因組圖譜。此外還從瑞典、芬蘭、美國阿拉斯加冰川公園、阿拉斯加海岸附近的島嶼等地區(qū)，一共選取79只北極熊和10只棕熊進行了全基因組重測序，并進行全基因組和種群間的比較分析研究。

對北極熊祖先的追溯

棕熊是與北極熊親緣關(guān)系最近的物種，但它們的分布區(qū)差別很大，行為和形態(tài)也有很大差異。關(guān)于北極熊和棕熊的分化時間，以及它們分化之后的演化歷史，一直存在很大爭議。

物種演化和群體大小估計

北極熊、棕熊共同祖先在距今89.9至47.9萬年前有效群體大小從12.3萬縮減到2萬左右。并在距今47.9萬年前開始分化成兩個物種。在距今31.9萬至14.8萬年前北極熊群體減小到0.5萬只左右，期間部分北極熊遷移到棕熊棲息地，兩物種雜交導致基因交流。在距今12.1萬和5.2萬年前，棕熊和北極熊群體大小分別開始發(fā)生擴張，達到46.3萬只和6.8萬只。

為更準確地探尋北極熊、棕熊的演化歷史，研究人員利用全基因組測序技術(shù)展開研究。根據(jù)它們基因組的系統(tǒng)發(fā)生分析，發(fā)現(xiàn)北極熊和棕熊是獨立起源的，這兩個物種從他們共同祖先分別演化而形成，而非之前認為的北極熊起源于棕熊的一個亞群。通過分析種群內(nèi)和種群間共有的核苷酸位點和等位基因頻譜推算群體參數(shù)的方法，發(fā)現(xiàn)它們的分化時間距今不到50萬年，這相對于之前赫勒、米勒等研究估計的距今500萬至60萬年要短很多。新的方法簡單來說就是通過識別DNA序列特征，從當前的DNA狀態(tài)，一代一代地往前追溯以前的DNA狀態(tài)，一直追溯到兩個物種的DNA特征與某一個物種的特征相同時，就可認為已到了共同祖先的時間。之后記錄追溯的代數(shù)和每一代的時間，得到現(xiàn)在這兩個物種的分化時間。這種方法稱為溯祖法，產(chǎn)生于20世紀八九十年代，近年來在群體遺傳學中使用得非常廣泛。

研究表明，在距今47.9萬至34.3萬年前，北極熊與棕熊開始分化，這個時間點剛好是較溫暖的間冰期。研究人員推測，可能由于當時氣候變暖，棕熊和北極熊的共同祖先向北極擴大它們的生活領(lǐng)地。當氣候再次回到冰期時，一部分遷徙到北極的熊已逐漸適應了北極越來越冷的環(huán)境，這些適應了北極寒冷環(huán)境的熊就是北極熊的祖先。

有效群體分析

從種群內(nèi)的核苷酸多態(tài)性可以推測種群的有效群體大小。在北極熊群體里，發(fā)現(xiàn)了2600萬的單核苷酸多態(tài)性位點（SNP），僅是棕熊（770萬）的三分之一。這表明在很長一段時間里，北極熊的群體比棕熊的小。盡管還未推算出具體的時間，但已明確知道，在北極熊和棕熊分化之后的一段時間里，北極熊經(jīng)歷過一個瓶頸效應——群體數(shù)目在一段時間內(nèi)減少到很低的水平，然后又經(jīng)過一段時間的恢復。

通過IBS（Identify-By-State）tract的方法，發(fā)現(xiàn)北極熊和棕熊分化以后，它們?nèi)杂谐掷m(xù)不斷的基因交流，但這個交流過程并不是對稱的，而是北極熊的基因更多地流向棕熊。IBS方法的優(yōu)勢是同時考慮DNA序列的突變率和重組率的特征，而不是像其他推算歷史群體參數(shù)的方法只考慮前者。IBS方法通過計算群體內(nèi)部和群體之間重組和突變聯(lián)合產(chǎn)生的共祖區(qū)域的長度頻譜分布，推算出群體歷史變化的參數(shù)。通過分析物種間基因滲入片段的長度，可以推算出進行基因交流的大概時間。研究人員發(fā)現(xiàn)，它們之間最長的滲入片段長度只有1.1兆堿基對（Mbp），說明它們的基因滲入發(fā)生時間很久遠，這樣才有足夠長的時間發(fā)生足夠多的基因重組事件，基因重組會使之前相連的片段被打斷，導致現(xiàn)在能觀察到的連續(xù)的滲入片段長度比較小。通過比較各種群間個體的SNP，可以統(tǒng)計種群基因的交流情況。比較北極熊和所有棕熊群體的SNP，發(fā)現(xiàn)北極熊和棕熊的所有群體都有基因交流，這說明北極熊和棕熊的基因交流發(fā)生在棕熊亞群分化之前。

從基因組中尋找極地適應機制

考古學家在挪威的斯瓦爾巴特群島發(fā)現(xiàn)了一塊距今11萬年前古北極熊的下顎骨，這暗示至少在距今11萬年前，北極熊已適應北極圈的嚴酷氣候。在不到20500代的繁衍過程中，北極熊這個大體型的哺乳動物是如何快速適應北極環(huán)境的呢？

生物表型的變化很大程度上來自于基因的變化。在北極熊基因組中發(fā)現(xiàn)肌節(jié)組織、血液凝固、心臟發(fā)育、脂肪組織發(fā)育等功能相關(guān)的基因都發(fā)生了顯著變化。

脂肪代謝 脂肪對于北極熊來說很重要。北極熊在食物短缺的時候可依靠體內(nèi)脂肪提供能量，脂肪代謝生成的水可供體內(nèi)其他代謝過程之用，這使北極熊在缺乏淡水的環(huán)境中也能生存。北極熊體內(nèi)的膽固醇含量也很高，其含量在人類中已達到極易引發(fā)心血管疾病的程度。研究者通過檢測群體數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)北極熊相對于近親棕熊，體內(nèi)的基因受到了更強的選擇壓力。通過功能聚類分析，發(fā)現(xiàn)與心血管、膽固醇和脂肪代謝相關(guān)的基因更加富集。尤其是在前16個受到最強正選擇的基因中，有9個是與心血管系統(tǒng)相關(guān)的?？梢姡睒O熊為了適應寒冷的北極氣候和對抗高脂肪的風險，它的心血管系統(tǒng)幾乎發(fā)生了重建。

五色毛發(fā)

白色外觀動物很難在平常的自然環(huán)境中生存，因為這顯眼的顏色不利于動物的隱藏。但在冰雪覆蓋的北極，白色卻是最常見的顏色，因此北極圈內(nèi)可看到較多的白色外觀動物，如白鯨、北極兔、白狐、北極熊等。無色的毛發(fā)是北極熊和棕熊最直觀的區(qū)別，因為北極熊毛發(fā)中缺乏色素。通過對北極熊基因的分析，發(fā)現(xiàn)有兩個與色素沉著相關(guān)的基因（LYST和AIM1）發(fā)生了突變。LYST基因突變，在牛、大鼠、小鼠、貂中會導致表面色素減少，在人類會引起頭發(fā)和眼睛褪色。AIMI也是一個影響黑色素產(chǎn)生的基因?？梢酝茰y在北極熊體內(nèi)，這兩個基因通過突變，或者與其他基因相互作用，嚴重抑制了黑色素的產(chǎn)生和運輸，導致毛發(fā)中沒有色素，表現(xiàn)出無色表型。無色中空的毛發(fā)在北極冰雪的映襯下，顯示出白色，讓北極熊可在白色的環(huán)境中很好地隱藏自己，增加了捕食成功率，又增強了對陽光的吸收，幫助維持體溫。

北極熊群體基因組學的研究讓人們對北極熊的起源和適應性演化有了更深的了解。對于北極熊仍然有很多疑問困擾著我們：全球氣候變化會不會導致北極熊滅絕？人類活動造成的環(huán)境污染會使北極熊受到多大影響？人類可以從北極熊對環(huán)境的適應中學到什么？北極熊對脂肪、膽固醇的適應能不能為治療人類心血管疾病提供幫助？這些都有待新的科學研究去探索。

關(guān)鍵詞：北極熊 群體遺傳學 演化 全基因組