科學家們如何“複活”猛獁:一次前路漫漫的野心之旅
2018年09月18日09:53

  來源:北京科技報

  讓最令人震撼的史前生物複活,科學家已看到曙光。究竟是複製猛獁,還是把猛獁基因轉入大象里,來看瘋狂科學家們如何“複活”猛獁。

  在所有的已滅絕動物中,除了恐龍,最為人知的恐怕就是猛獁象,它的受歡迎程度可算作冰河時期的大熊貓。巨大的象牙和長毛讓人過目不忘,在很多藝術作品中,最後一批倖存的猛獁闊步走在寒冷的西伯利亞苔原上,雄壯中透著一股悲涼。如今,基因編輯技術帶給了科學家“複活”古生物的希望,可真正複活猛獁象,還有很長的路要走。  

▲猛獁像是最受歡迎的古生物之一。(來源:New York Post)
▲猛獁像是最受歡迎的古生物之一。(來源:New York Post)

  猛獁滅絕的原因難以確定

  假如猛獁會說話,它可能會說,“我不想知道自己是怎麼來的,我就想知道自己是怎麼沒的。”這劇小品中的台詞,很適合來形容猛獁象的研究現狀。科學家們已經開始通過各種生物技術試圖“複活”猛獁,而對於猛獁滅絕的真正原因卻無法定論。

  猛獁像有很長的演化歷史,它們的祖先南非猛獁像在300萬年前離開非洲向北遷移,最終遍佈歐亞大陸,成為更新世中後期地球分佈最廣的陸地哺乳動物。今天人們一般說的猛獁像是指真猛獁象,又稱長毛猛獁象(Mammuthus primigeniu),是猛獁象家族中最後的物種。原始的真猛獁像一直在西伯利亞地區繁衍生息,約20萬年前,它們才從西伯利亞擴散到了歐洲和亞洲其他地區。又過了10萬年,它們穿過白令海峽來到了北美州的北部。當時北美洲的南部還生活著哥倫比亞猛獁象,它們各占一方,一片祥和。

▲最後留下的長毛猛獁與今天非洲象體型相當。(來源:DeviantArt)
▲最後留下的長毛猛獁與今天非洲象體型相當。(來源:DeviantArt)

  經過了“短暫”的繁榮後,這些地球曾經的霸主在1萬年前開始從大陸上消失,最後一群生活在北冰洋弗蘭格爾島的真猛獁象,一直堅持到了距今3700年前。由於猛獁象存在大量的化石,甚至在西伯利亞地區發現了多隻完整的猛獁遺骸,它們成了被研究最多的史前物種。

  絕大多數猛獁在更新世晚期和全新世早期消失了,它們屬於第四紀滅絕事件中消失的物種之一。關於第四紀滅絕事件的成因,科學家提出了兩種假說:氣候變化和人類捕獵。對於猛獁的滅絕,科學家對歸咎於兩者其一作為主要因素,還是兩者結合也存在分歧。

  氣候假說認為,在冰河時期快結束時,由於氣候變暖,海平面上升導致了適合猛獁的棲息地大規模減小,最終致使猛獁滅絕。但由於猛獁並有完全消失,有些種群在相對狹小的島嶼上又生存了數千年,所以棲息地的減小未必是它們滅絕的主要成因。

  人類捕獵假說也有很多證據,最典型的就是猛獁消失的時間與人類活躍的時間吻合,科學家在多處人類遺蹟中同時發現了猛獁的骨骼,壁畫中刻著獵殺猛獁的場景,甚至發現了一個完全由猛獁骨頭製成的小屋。不過,科學家通過對某地猛獁象DNA測序發現,它們的減少持續更久,遠在人類活動出現之前,而最終是突然滅絕。人類獵殺假說還受到很多質疑,其一就是與猛獁同時代,也被人類獵殺的野牛、駝鹿等大型哺乳動物為什麼沒有滅絕?

▲科學家在北極地區發現了猛獁被人類狩獵的痕跡,以此推斷4.5萬年前人類就遷移到了北極。(來源:Science)
▲科學家在北極地區發現了猛獁被人類狩獵的痕跡,以此推斷4.5萬年前人類就遷移到了北極。(來源:Science)

  近幾年,科學家又找出了各種可能導致猛獁的證據,如對弗蘭格爾島上的猛獁象臼齒樣本進行了全基因組測序,發現了遺傳多樣性降低,卻保持了穩定,同時他們也發現了遺傳缺陷,滅絕是猛獁自身的原因;對聖保羅島的地質探測則發現,這裏在5600年前淡水開始減少,研究者提出淡水的匱乏導致了當地猛獁的滅絕……無論哪種說法,猛獁的滅絕都不能確定,也許正是因為生命的複雜性,它們消失也許有更深刻的內在聯繫。

  “複活”猛獁,說來容易做起難

  隨著越來越多的冷凍遺骸被發現,科學家漸漸有了“複活”猛獁的雄心壯誌。“複活”(De-extincition)並不是單純地指複活某一物種,而是具有抗滅絕或反滅絕的意思,具有更深遠的意義。反滅絕的過程可以包括重新生育出已滅絕的物種,或是創造出外觀類似的個體,這是一個創造新生物的過程,新的生物能否複原已滅絕物種的習性並繁衍下去也被考慮在內。

▲猛獁象Lyuba,死時只有一個月大,是至今為止的最完整的猛獁象標本。(來源:Live Science)
▲猛獁象Lyuba,死時只有一個月大,是至今為止的最完整的猛獁象標本。(來源:Live Science)

  目前,複活猛獁主要有兩個嚐試的方向,一是用細胞生物學的方法,實現猛獁象的複製。這是個三步走的方法,和把“大象裝冰箱”一樣“簡單”。

▲複製猛獁,只要“簡單三步走”。(來源:Geek.com)
▲複製猛獁,只要“簡單三步走”。(來源:Geek.com)

  第一步是找到凍土中的保存完好,具有完整功能的猛獁象細胞。本來這一步非常困難,因為在動物死亡的那一刻起,細胞內的DNA也開始降解,在實驗室里保存好的DNA也要使用化學試劑對其嚴防死守,使其避免被破壞。科學家們很幸運,在永久凍土中的殘骸發現了保存完好的細胞。

  第二步是利用現代大象的卵母細胞作為受體,將猛獁細胞植入,形成具有發育功能的胚胎細胞,實現異體複製。 “把大象裝冰箱”很艱難,這裏需要克服複製效率的問題。能否獲得足夠多的卵細胞也是問題,因為亞洲像已經被列在世界自然保護聯盟(IUCN)列為瀕危物種紅色名單。但在去年2月,華大基因研究院首席科學家徐訊向媒體透露,我國科學家已經恢復了猛獁細胞的全功能,形成了胚胎細胞。

  導致至今沒有複活猛獁的則是第三步,將重構胚胎細胞移植到代孕母象的子宮內,讓其發育成猛獁個體。因為強烈的排斥反應,根本找不到適合最終“關上冰箱門”的代孕母親,即使和猛獁象最為親近的亞洲象相比,兩者基因組差異仍有4.7%。

▲基因編輯技術複活猛獁(來源:PA)
▲基因編輯技術複活猛獁(來源:PA)

  另一個方向是基因編輯,這與《侏儸紀公園》中的情景十分相似,電影中科學家從琥珀中的蚊子血液中提取了恐龍基因組,又用了青蛙DNA進行填補,最終將恐龍複活。科學家認為這種方法理論上是可行的。2015年,一個由瑞典科學家領導的團隊從兩隻真猛獁象中DNA中得到了完整的基因組測序。所以,只要知道了基因所對應的功能,再把關鍵的DNA片段導入到他們現存的親緣物種里,替換掉原有的基因,就能實現猛獁的”複活”。

  例如,找到可以決定猛獁象毛髮性狀的基因,並據此改造亞洲象的基因組,就有望創造出“長毛大象”。當然,什麼基因對應著什麼表達,至今對科學家來說都是棘手的問題,況且某些特定的基因還會與環境發生相互作用,DNA序列不發生變化的情況下,基因表達的功能卻發生了變化,如何找出它們並重塑環境,未來的路充滿曲折。

  丘奇的瘋狂

  在使用基因編輯技術複活猛獁的科研團隊中,不得不提一位“瘋狂”科學家,被稱為合成生物學之父,哈佛大學遺傳學教授喬治?丘奇(George Church),2015年3月,丘奇和他的團隊利用CRISPR技術,把從冷凍的猛獁遺骸的耳朵,脂肪和毛髮中提取的DNA碎片提取出來,移入了現代亞洲象的皮膚細胞中,這是猛獁像在滅絕後,它們的基因首次處於了活躍狀態。有意思的是,至今未有相關論文發表出來,哈佛的團隊似乎在醞釀著更多的東西。

▲喬治?丘奇,截至目前發表了482篇論文,獲得了130項專利,聯合創立了22家公司(來源:Genetic Literacy Project)
▲喬治?丘奇,截至目前發表了482篇論文,獲得了130項專利,聯合創立了22家公司(來源:Genetic Literacy Project)

  丘奇的複活猛獁團隊組建於2012年,當時《全球概覽》創始人斯圖爾特?布蘭德(Stewart Brand)在籌備複活猛獁、旅鴿等滅絕物種時找到了丘奇,希望他能提供技術上的幫助。丘奇很自然的想到了“基因剪刀”CRISPR――一種有效、便捷的基因編輯技術,可以對DNA進行修剪、添加或替換。而丘奇正是最早將CRISPR用於人類細胞的科學家之一。最近幾年,科學家利用CRISPR攻克了不少遺傳學難題。

  這個“複活者”團隊,開啟了一個長期規劃。美國暢銷書作家本?莫茲里奇(Ben Mezrich)把“複活者”團隊攻克猛獁複活難關的經曆寫成了書,《又見猛獁象:基因剪刀重新定製生命》。書中首次披露了PayPal創始人彼得?蒂爾(Peter Thiel)對丘奇團隊投入了10萬美元的贊助。作者描述了丘奇團隊的最終目標:把猛獁複活出來,並帶到西伯利亞,以此改善生態環境,對抗氣候變化。

  丘奇在2017年2月舉辦的美國科學促進會(AAAS)上宣稱,只要有兩年時間,就能製造出大象與猛獁象的雜交胚胎,最終在人工子宮內孕育“猛獁”。此時他的團隊已經將45類猛獁象的DNA轉移到了亞洲象的細胞內(表達出更茂密的毛皮、更厚的脂肪、低溫下輸氧的紅細胞等)。此事經過媒體的傳播,甚至變成了2年後就能複活猛獁,引起了國際廣泛的關注。

▲丘奇的“複活者”團隊,左二是來自中國的女科學家楊璐菡。(來源:Baku)
▲丘奇的“複活者”團隊,左二是來自中國的女科學家楊璐菡。(來源:Baku)

  實際上,丘奇知道複活猛獁可能是最不可能完成的項目。在今年2月,丘奇接受了Baku的採訪,他表示:“這不意味著我們要讓北極苔原地區遍佈猛獁象,我不知道距離那還有多遠。” 。對他來說,複活猛獁是創造一種此前從未有過的生物,希望以此能夠保護生物,並使用能抗寒的大象重建北極苔原的氣候。

  今年64歲的丘奇一輩子在跟DNA、細胞打交道,他開發的基因組測序工具首次完成了幽門螺旋杆菌的測序,1984年幫助開啟了人類基因組計劃,在合成生物學貢獻頗豐。之所以說他瘋狂,是因為他總是在嚐試新的東西,把不可能變為可能。丘奇還開發了多種利用DNA分子特性的用途,比如進行數據存儲,甚至把他自己的專著用堿基對的形式寫了下來,他還用DNA分子技術來幫助探測暗物質……複活猛獁,只是丘奇眾多新奇想法,並想實現的願望之一。

  複活,不那麼簡單

  很多科學們認同“複活”或是反滅絕的做法,因為通過相關技術能更好的保護如今未滅絕的生物。但是,在提出複活猛獁或其他動物時,除了技術上的難題外,也帶了很多其他問題。

  2015年,加州大學聖克魯茲分校的進化生物學教授Beth Shapiro撰寫了《如何複製猛獁象:複活的科學》一書就探討了“複活”中的諸多問題。她希望看到猛獁能自由地漫步在曠闊無垠的凍土苔原上,不會再面臨滅絕的風險。她稱之為複活的第二階段。第一階段則是複活出個體。但是,複活的標準不一,只要複製出了外觀相似的大象就是複活,還是能按猛獁像過去的生活方式繁衍生息算作複活?

  在另外一些反對複活的專業人士看來,猛獁象的滅絕是因為不適應環境的變化,而“複活”是對幹涉自然淘汰的行為,違背自然規律。中國科學院南京地質古生物研究所研究員袁訓來就認為,地球上物種生存200-300萬年後滅絕是正常的自然現象,實驗室複活猛獁象並不能改變地球物種滅絕的自然規律,在生物進化研究方面並不具特別有價值的意義。

▲因為人類影響而滅絕的動物,成為了複活的“明星”物種。(來源:Encyclopedia Britannica)
▲因為人類影響而滅絕的動物,成為了複活的“明星”物種。(來源:Encyclopedia Britannica)

  研究表明,複活一隻滅絕物種的成本極高,高達數百萬美元,而目前有2萬多種生物正瀕臨滅絕,資金流動會削弱對今天瀕危動物的保護。所以不少科學家認為複活猛獁是得不償失,不如把精力放在保護現有的動物中。

  如果複活出來的動物並不能適合野外生存,只能供人觀賞,甚至只能待在恒溫箱中,它的命運仍然是滅絕。複活了滅絕生物可能會把原始共生的寄生蟲也同時帶過來,而這些影響完全未知。複活的動物會不會成為新的入侵物種等等不可控的因素,讓很多科學家對“複活”持否定態度。

  在支援者中,因為猛獁象等滅絕物種有很大的原因是人類的行為導致滅絕,他們認為再讓它們重生是人類的義務。他們相信複活動物有望豐富地球的生物多樣性,甚至能恢復某些被破壞的生態環境――正如丘奇所設想的。

  在掌握了“複活”猛獁技術後,尤其是基因編輯方面,科學家可以也許能複活更多的物種,同時也可能把相關的技術施於人類,又帶了一系列倫理問題――我們會打造完美人類嗎?

  雖然有如此之多難以回答的問題,但幾乎沒有人否認胚胎移植和基因編輯在醫學上巨大的潛力。科學家對於猛獁複活的努力,更像在秀出人類在生物技術的“肌肉”,無論支援還是反對,我們正在挑戰生物學的極限。

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