科学家们怎样复活已灭绝的物种?
选择性育种
我们开展选择性育种已经数百年了。我们对狼进行配种,从而创造出驯养的狗。
当一个种群生活区域较大,其中的物种就会被隔离。隔离种群有可能进化成为分离的物种,有时他们也能互相交配孕育后代。如果种群外观不同但可以互相交配孕育后代,那它们只是同一物种的亚种,而并非不同的物种。
白氏斑马(Quagga)是生活在南非平原的草原斑马(plains zebra)的近亲。它们有像普通斑马一样的深色条纹,只不过它们的背部是深咖啡色。最后一头白氏斑马于19世纪80年代在阿姆斯特丹动物园死去,没有人清楚它们是斑马的一个亚种,还是完全不同的物种。1959年,一位南非博物馆的工作人员,莱因霍尔德·劳(Reinhold Rau)在白氏斑马曾经栖息的山上发现了保存完好的白氏斑马皮,通过20世纪80年代早期对此的一次DNA分析,显示白氏斑马是草原斑马的一个亚种。因这个发现劳创建了白氏斑马项目,旨在通过草原斑马的选择性育种,让白氏斑马重返世界。但如今该项目的选育人员声明它们创造出的不是原先的白氏斑马,而是他们根据图片创造出的一种新的动物。
白氏斑马( 图片提供:弗雷德里克•约克(Frederick York 1903年)[公共领域],来源:维基共享)
欧洲野牛的回交育种
回交育种是一种特殊的选育过程,使驯养动物能重新获得其野生灭绝祖先的一些性状。
欧洲野牛是家牛的野生祖先,是许多欧洲生态系统中的关键物种,但它们在1627年灭绝了,在旧石器时代的洞穴壁画上可以看到它们的形象。如今,许多古老的欧洲家牛品种仍保留着一些欧洲野牛的独特性状基因。“真实自然基金会”的创始人亨利·柯克迪克·奥滕(Henri Kerkdijk-Otten),想要通过对欧洲野牛的近亲回交育种重建这种生物。回交育种的欧洲野牛只是该基金会希望重建并带回自然保护区的物种之一,其他的还有野马、美洲野牛以及水牛。该基金会将把生态恢复项目与盈利结合起来,例如自然旅游,销售复活灭绝动物的肉,皮,角,骨头和头骨。
欧洲野牛(作者:皮尔森•斯科特•弗林弗曼(Pearson Scott Foresman)[公共区域],来源:维基共享)
克隆
动物体具有三种类型的细胞:
1. 体细胞—高度分化的细胞,如皮肤、肝、血细胞。
2. 生殖细胞—配子如精子、卵子。
3. 干细胞—能转变成任何细胞类型的细胞。
1996年,英国胚胎学家伊恩•威尔穆特(Ian Wilmut)应用体细胞核移植技术创造了著名的克隆体:多莉(Dolly)羊。该技术用被克隆生物的体细胞中的细胞核替换宿主生物未受精卵细胞的细胞核。一旦体细胞的细胞核与宿主卵细胞融合,就会转变成胚胎干细胞,受电脉冲刺激可以分裂、分化为胚胎细胞,再将胚胎细胞植入代孕母体子宫,就可以发育成为一个克隆体。
动物细胞内有两处含有DNA:一处是细胞核,另一处是细胞的动力工厂线粒体。除非两处的DNA都来源于同一物种的个体,因此在被克隆动物和其克隆体之间存在遗传差异。
一些胚胎在克隆过程中死于各种发育并发症。各种先天性疾病在克隆体上很常见,一些克隆体在出生后很快死亡。这引发了对于克隆灭绝动物的伦理质疑。
第一个濒临灭绝的物种克隆体诞生于2001年。它是一只牛科动物,取名叫诺亚(Noah),出生两天后死亡。2003年又诞生了第二个濒临灭绝的物种克隆体,这是一只爪哇野牛,它在圣地亚哥(San Diego)动物园生活了7年。
在创造现存物种的克隆体方面,克隆技术表现尚佳。如果整个物种都灭绝了,就只能用与之体型大小类似的相关动物做代孕母体。如果胎儿在另一物种的子宫内生长,发育的环境会影响基因表达。摄取的食物与微生物群落相互作用也会影响基因表达,进一步导致克隆出的动物与初衷大相径庭。
尽管在克隆还有许多未知因素,一些人已经尝试通过克隆去灭绝,几近成功。世界上第一个复活的灭绝动物于2003年出生,由已灭绝的布卡多山羊卵细胞移植到代孕山羊体内发育而成。但它出生后十分钟就死了。
遗传工程
基因修饰的早期实验曾使用X射线创造DNA突变。通过对植物和昆虫进行辐照,科学家创造出许多谷物和蔬菜的变种。
19世纪70年代,科学家们发明了基因融合技术,可以将不同生物的基因合成为一个DNA分子。
如今,计算机服务器已经存储了成千上万种生物的基因序列数据库,为以奇妙方式创造出自然界中不存在的组合基因提供了可能性。
基因编辑
21世纪初,分子生物学家开发出了人工酶,这些酶能够识别基因组上特定位点,替换或者删除那里的基因,这项技术称为基因编辑。锌指核酸酶(zinc-finger nucleases)和转录激活因子样效应物核酸酶(TALEN)就是两种这样的工具酶,但它们成本较高,操作复杂且不精准。
CRISPR
在细菌的基因组中,研究人员发现了具有重复回文结构的DNA片段——其序列从左到右与从右到左读起来相同,在这些重复的回文序列中散布着大量间隔序列,这种DNA序列被称为规律间隔成簇短回文重复序列(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats),简称CRISPR。
事实上,CRISPR是一个细菌保护自己抵御病毒入侵的病毒DNA数据库。如果入侵者的DNA与该数据库匹配,就表明该入侵者曾经感染过其祖先。这种情况下,细菌就会合成一种叫做Cas9的酶,这种酶像一把分子剪刀,将入侵病毒的DNA剪碎,同时细菌会将一些病毒DNA碎片存储在CRISPR的间隔序列中,以防将来受到该病毒的入侵。
2012年,两位科学家艾曼纽•夏彭蒂(Emmanuelle Charpentier)和珍妮弗•杜纳(Jennifer Doudna)演示了CRISPR如何编辑任意的基因组。这个编辑体系包含RNA引物,Cas9酶以及DNA模板,RNA引物定位Cas9酶在基因组的什么位置切断并插入DNA模板,可以使用多个RNA引物和多个DNA模板在基因组的多个位置同时进行操作。
研究人员正在开发CRISPR技术来修复可能导致慢性疾病和致死疾病的基因突变。另外,CRISPR还被用于向濒危物种的基因组中增加突变以提高其遗传多样性。
2015年4月,一个中国的研究组宣布他们使用CRISPR编辑了人类胚胎。他们试图改变导致β地中海贫血症——一种致死的血液疾病的基因突变。虽然胚胎最终没有成活,但其结果发出了重要警告,基因编辑的胚胎总有一天会发育成真的人类。
合成基因组
一种实现去灭绝的野心勃勃的方法是在实验室中合成灭绝动物的整个基因组,将它输入其活着的近亲的卵细胞内,随后将这个卵细胞移植到代孕子宫中让它发育成动物幼体。到目前为止,研究人员可以制造出长达成千上万个碱基对的DNA序列,但还不能制造出几十亿个碱基对的序列,比如猛犸象基因组。而且,基因组中还包含又多又长的重复序列,这些序列连测序都困难,更别说合成了。普遍认为,当存在其他可行的方法时,基因组合成的成本太高了。
如今的去灭绝研究依赖于选择育种,克隆和基因编辑。如果你不关心基因库的精确性,那么选择性育种是既便宜又简单的办法;如果克隆细胞核基因组与宿主线粒体基因组兼容,那么克隆体会更接近灭绝动物;基因编辑是比较万能的技术,但其产生了一系列涉及物种间兼容性和可靠性的问题。
在线视频
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