今年夏天，世界許多地方都經(jīng)歷了酷暑的煎熬，高溫?zé)崂讼碇鴣喼逇W洲美洲的多個國家。北冰洋沿岸的北歐多國和俄羅斯也出現(xiàn)了罕見高溫天氣，達(dá)到32℃。極地溫度升高，苔原提前變綠，蟲卵早熟，遷徙的鳥類會錯過覓食時間，極地動物面臨溺亡的結(jié)局。在氣候環(huán)境發(fā)生變化時，動物如何生存下去？在本篇文章中，以黃鶯為例，介紹氣候變化與遺傳變異的關(guān)系。
許多動物都有適應(yīng)性，可以幫助它們應(yīng)對特定的環(huán)境或生活方式。南極魚類產(chǎn)生抗凍蛋白，防止血液在零度以下的溫度時凍結(jié)。一些沙漠嚙齒動物在沒有飲用一滴水的情況下還能夠存活下來。生活在高海拔地區(qū)的人類有特殊的適應(yīng)能力應(yīng)對缺氧環(huán)境。
這些特殊的適應(yīng)性已經(jīng)編碼在基因組上并代代相傳。同時，這些信息也給科學(xué)家提供了新的思路，通過分析動物的基因組可以幫助預(yù)測其是否能夠以及如何適應(yīng)環(huán)境的快速變化，如氣候變化帶來的影響。了解動物基因水平的氣候脆弱性可以揭示哪些種群更具風(fēng)險(xiǎn)，使保護(hù)工作與風(fēng)險(xiǎn)物種和預(yù)期的氣候相匹配。
蕾切爾·貝（Rachael Bay）是加州大學(xué)洛杉磯分校環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展專業(yè)博士后（Postdoctoral Fellow of Environment and Sustainability, University of California, Los Angeles），她與一群研究鳥類基因組圖項(xiàng)目（Bird Genoscape Project）有關(guān)的生物學(xué)家一起工作，關(guān)注氣候變化對鳥類帶來的影響。她們以黃鶯為例進(jìn)行研究。黃鶯屬于候鳥，夏季的時候會棲息在加拿大和美國境內(nèi)，大概的范圍是從炎熱干燥的加利福尼亞中央山谷（Central Valley of California）到?jīng)鏊睗竦奶窖笪鞅辈浚≒acific Northwest）。
分析黃鶯的基因組
基因組研究涉及到大量的信息分析。首先，需要采集大量的樣本。幸運(yùn)的是，蕾切爾·貝她們得到了很多幫助。鳥類監(jiān)測站幫她們收集了黃鶯血液的樣本，博物館給她們贈送了樣本，其他一些科學(xué)家從過去研究的冰凍樣品中提取基因組。
最終，蕾切爾和其他生物學(xué)家將來自美國和加拿大20多個地點(diǎn)的大約250只黃鶯作為研究對象，她們對每只黃鶯的基因組進(jìn)行了測序，獲得了大約350億個脫氧核糖核苷酸（DNA）堿基對（base pair，是構(gòu)成遺傳基因的基本單元）數(shù)據(jù)。通過使用計(jì)算機(jī)算法，對這250個基因組進(jìn)行比較，并研究不同氣候區(qū)域的鳥類在基因組中存在哪些不同。
蕾切爾她們表示并不真正知道基因組的哪些部分（如果有的話）會具有氣候適應(yīng)的功能，所以她們沒有選擇檢查任何特定的基因。她們研究了基因組中超過100000個隨機(jī)區(qū)域，根據(jù)鳥類樣品采集地不同的環(huán)境參數(shù)（如溫度、降水和植被測量）對這些基因組中的隨機(jī)區(qū)域進(jìn)行了比較。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這些環(huán)境變量中，降水與遺傳變異的關(guān)系最為密切。當(dāng)她們對比了所有黃鶯樣本數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)生活在多雨環(huán)境與干旱環(huán)境的基因組中的某些相同區(qū)域存在不同。換句話說，來自最干旱地區(qū)的黃鶯與來自非常潮濕地區(qū)的黃鶯，它們的某些相同基因的DNA序列略有不同，這表明遺傳變異與環(huán)境相匹配。
如果鳥類適應(yīng)當(dāng)前的氣候，但隨著氣候變化，未來幾年會發(fā)生什么呢？
按照當(dāng)前的發(fā)展情況，美國許多地區(qū)的氣候在下個世紀(jì)會變得更加溫暖和干燥。蕾切爾等人通過研究已經(jīng)得到對于某些氣候變化相對應(yīng)的遺傳變異，可以計(jì)算出黃鶯種群的基因組序列在未來50年內(nèi)會發(fā)生哪些改變以適應(yīng)未來的生存條件。例如，基于現(xiàn)在生活在溫暖地區(qū)的黃鶯的基因組譜，可以估計(jì)將來會有多少鳥兒能夠適應(yīng)更溫暖的氣候。
蕾切爾和其他生物學(xué)家一起開發(fā)了一種算法，該算法將所有100000個隨機(jī)區(qū)域的數(shù)據(jù)與25個不同氣候變量的公開數(shù)據(jù)相結(jié)合（包括當(dāng)前和預(yù)計(jì)的未來氣候）。當(dāng)這些信息匯總以后會得到一個分?jǐn)?shù)，該分?jǐn)?shù)反映了某個種群中需要改變多少DNA以適應(yīng)未來的氣候變化。蕾切爾等人稱之為不同黃鶯種群的“基因組脆弱性”。
種群數(shù)量已經(jīng)受到氣候變化的威脅
顯示美國黃鶯種群基因組脆弱性的地圖（從藍(lán)色到黃色表示基因組脆弱性從低到高）
像落基山脈（Rocky Mountains，位于北美洲西部）等一些地區(qū)，表現(xiàn)出非常高水平的基因組脆弱性，表明這些地區(qū)的黃鶯需要在其基因組中進(jìn)行許多變異才能適應(yīng)氣候變化。與此同時，來自中西部等其他地區(qū)的黃鶯的基因組脆弱性較低，這意味著它們的風(fēng)險(xiǎn)較小。整個范圍內(nèi)基因組脆弱性的差異是基于預(yù)測的氣候參數(shù)的改變——某些地區(qū)被認(rèn)為在未來50年會變得更熱，更干燥，而其他地區(qū)可能變得更濕潤，更涼爽。
蕾切爾等人將基因組脆弱性與過去50年中黃鶯種群的變化進(jìn)行比較時，發(fā)現(xiàn)了一個令人吃驚的結(jié)果——在加利福尼亞部分地區(qū)和落基山脈等具有最高基因組脆弱性的地區(qū)，黃鶯數(shù)量已經(jīng)下降。這可能意味著氣候變化已經(jīng)影響了這些種群，這些影響在下個世紀(jì)可能會變得更加嚴(yán)重。
雖然蕾切爾她們發(fā)現(xiàn)了棲息在不同氣候環(huán)境下的鳥類之間存在遺傳差異，但她們表示仍然不清楚這些遺傳差異的含義。也許來自干旱地區(qū)與生活在潮濕地區(qū)的黃鶯適應(yīng)了不同的食物來源；也許鳥類的遷徙時間適應(yīng)了不同地區(qū)不同類型的植被。只有后續(xù)研究才能弄清楚黃鶯如何適應(yīng)不同的氣候環(huán)境。
黃鶯顯然不是受氣候變化影響的唯一物種。通過鳥類基因組圖項(xiàng)目，蕾切爾和其他生物學(xué)家正在努力發(fā)現(xiàn)其他一些北美鳥類的基因組脆弱性。希望這個框架可以適用于其他類型的野生動物，而不僅僅是鳥類。
責(zé)編：微科普