欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们
施鹏:万物生长离不开进化之光

来源:  发布时间:2021-07-13

徐芳芳

 

 

“进化生物学其实是一门非常传统的学科。”提到自己的科研领域,中国科学院昆明动物研究所党委书记、副所长施鹏研究员如是说。

同样是路边一朵不起眼的野花,有人匆匆走过丝毫没有留意,有人发现了这一抹芬芳驻足欣赏,还有人对沟渠瓦砾的环境中能健康生长的植物产生了浓厚的探究兴趣,而进化生物学就是这样一门研究生物生存、发展的神奇学科。

“世间万物都是进化的产物,我们就想知道它们是如何在自然环境下生存演变的,以及这样的变化能够为人类带来什么贡献。”在施鹏看来,动植物的生物进化研究与人类的生存发展息息相关,“假如我们知道了青藏高原上的动物是如何适应高原低氧环境的,那必然将有利于人类解决高原反应问题并进一步征服高原。”

 

与自然更近一步

 

19世纪中叶,达尔文创立的以自然选择为核心的进化论思想,第一次对整个生物界的发生、发展,做出了唯物的、规律性的解释,推翻了特创论等唯心主义形而上学在生物学中的统治地位,使生物学的发展发生了巨大变革。从那以后,“物竞天择、适者生存”等经典观点在全世界广泛流传开来,影响深远。

200年来,随着遗传学、生态学等其他相关学科的发展,进化生物学得以不断补充、发展和完善。目前,基因组学的快速发展,以及其他前沿技术的应用,为进化生物学的发展提供了有力支持,也为施鹏解决进化问题提供了更多手段。

对环境的适应是生物生存繁衍的基本前提。生物适应性进化的分子机制也因此成为进化生物学研究中最基本、最重要的问题。不过以往的研究多针对单个基因或基因家族进行,虽然对适应性进化的分子机制有了初步的认识,但面对动物适应环境的多样性与复杂性,局部的、个别的研究方式已被证明很难揭示动物适应环境的本质。

为了解决这些问题,从新世纪初开始,施鹏就与团队集成了数据、技术和理论的最新进展,采用生物信息学、分子进化以及功能验证等多种分析手段,从单个基因、基因家族及全基因组等不同视角,建立了一个全局的、整体的研究体系来探讨自然选择对相关基因及基因组进化的影响,以揭示基因序列和功能的演化与动物适应性的关系。

针对影响动物自身生存能力最重要的3个环节——觅食和取食、食物消化和吸收及保持能量代谢平衡,他们选择了味觉、嗅觉受体相关基因,食物消化和吸收相关基因,能量代谢相关基因,在具有代表性的多个物种中进行了系统深入的研究。通过分子进化分析,他们发现无论在单个基因、基因家族或全基因组层次上,基因序列和功能的演化都是动物适应性进化的主要表现形式。同时,他们发现,基因家族中成员数目的变化在动物适应环境的过程中也具有不容忽视的作用。这一重要的发现也提示着过去基于基因序列突变而形成的中性进化理论可能远远低估了其他遗传形式对适应性进化的贡献,在未来的研究中需要全面、综合地考虑各种遗传形式的共同作用。

研究成果在国际顶级期刊上陆续发表后,引起了国际国内动物分子遗传学和进化基因组学界的广泛重视和关注,并受到国际同行和媒体的关注,包括Science NowNature ChinaFaculty of 1000 Biology等国际著名学术评论期刊和媒体均对施鹏团队的研究成果予以专门报道。

2013年,团队参与研究多年的成果“动物适应性进化的分子机制”获得了云南省自然科学奖一等奖。同年,施鹏个人还获得了国家杰出青年科学基金资助,负责主持“哺乳动物适应性进化的遗传学机制”项目。

在动物适应性进化方面,施鹏创新性建立了应用适应性进化的理论来解析动物复杂性状遗传基础的新研究范式。这一范式的建立不仅解决了长期以来悬而未决的进化可预测性难题,而且为遗传学表型与基因型的研究提供了一条崭新的思路。与此同时,利用这个研究范式,他还解析了哺乳动物回声定位、高原适应等复杂性状的遗传基础,并为生物多样性资源挖掘和可持续利用提供了新的研究驱动力。

“我们上学时可能了解到蝙蝠是利用回声定位的,但通过长期研究,我们发现蝙蝠只是回声定位这个大类群中的一种,还有另一个哺乳动物类群是通过回声来定位的,这也是在生物多样性领域的重要发现。”施鹏介绍。

在“哺乳动物适应性进化的遗传学机制”项目中,利用所掌握的丰富野生动物资源和第二代测序技术,他带领团队对具有代表性的回声定位和非回声定位蝙蝠的基因组和相应组织的转录组进行测序,基于蝙蝠物种演化模式和分子进化规律,在全基因组范围内筛选在回声定位蝙蝠种类中发生趋同进化的基因。进一步在更多哺乳动物物种中对候选基因的深入分析发现,它们的氨基酸序列能够使具有回声定位的哺乳动物聚到一起,提示这些基因在回声定位物种中都发生了趋同进化。此外,基于表达水平,筛选在回声定位蝙蝠中具有趋同表达模式的基因,并进一步在组织内衡量表达水平,对这一类候选基因进行确认。最后,通过体外功能实验,对这两类候选基因进行功能证实。在这些结果的基础上,他带领团队从不同层面对哺乳动物回声定位的适应性进化机制进行了全面阐述:基于适应性分子进化理论,阐明了回声定位相关基因的进化机制和演化历程;通过构建功能通路和调控网络,探讨了回声定位相关遗传元件之间的相互作用及其在回声定位中的作用,并在此基础上,探讨了蝙蝠回声定位这一复杂性状快速产生的进化遗传机制和演化历程;通过体外转基因或靶向基因敲除实验,以及转基因动物的行为学实验研究,进一步阐明了哺乳动物回声定位的适应性分子遗传机制。

“进化生物学其实就是一门探索自然、研究自然规律的学科,首要的就是需要我们拥有对大自然的好奇心。”施鹏说道。在他看来,万物生长自有其规律可循,但只有拥有强烈的好奇心才会对一花一草的枯荣、千奇百怪的动物产生探索的欲望,“有了这些欲望才会驱使你不断探索,深入研究”。

 

在新一轮竞争中占据制高点

 

探索自然是第一步,人类的终极目标还是回归于自身的发展上。

“进化生物学不仅研究生物进化的过程、证据、原因、规律等,探索这些规律能给人类带来哪些贡献也是我们研究的重点方向。”施鹏说道。近几年来,他的核心工作之一就是通过动物复杂性状的相关研究来解决一些人类慢性病问题。

“人类的疾病其实就是复杂性状,过去这些年来,我们在人类疾病研究方面已经形成了一系列研究模式,但对于动物来说还比较少。我们希望把动物进化思想形成一个理论,并最终应用于人类疾病研究,也就是通过动物进化理论看复杂性状的形成机理,从一个崭新的角度来解决人类疾病问题。”施鹏介绍。

动物复杂性状是动物长期适应进化的结果,也是动物多样性存在的主要基础,对复杂性状调控的失衡是人类重大慢性病发生的内在原因,而对其形成规律的认识对家养动物经济性状的改良和动物特殊功能的仿生也有重要意义。因此,系统解析动物复杂性状的成因不仅是一项揭示大自然本质规律的基础性前沿科学工作,而且具有重大的应用前景。但由于动物复杂性状的形成机制十分复杂,其长期以来一直是一个科学难题,面临难以追溯、难以预测、难以调控的困难局面。系统解析动物复杂性状,了解其形成的内在规律,迫切需要开拓新的研究思路。

在此背景下,20146月,中国科学院战略性先导科技专项(B类)“动物复杂性状的进化解析与调控”启动会在昆明召开。该项目以中科院昆明动物研究所为依托单位,联合中国科学院动物研究所、遗传与发育生物学研究所、上海生命科学院、水生生物研究所、数学与系统科学研究院和深圳先进技术研究院等单位共同实施,领衔科学家共有两位,施鹏就是其中之一。

“这个项目就是典型的多学科交叉融合项目,说起来容易,但做起来非常困难。”回忆项目攻关经历时,施鹏不禁感叹。

其实,仅从近十家联合单位的名称就能看出项目的复杂程度。除了进化生物学之外,仅光学科领域就涉及了遗传与发育、基因组研究、数学与系统科学等,其中最难的就是与跨度最大的数学领域的融合。

“你要将生物的东西用数学家能听懂的语言讲清楚,然后数学家研究的东西又要能够为生物所用,这个融合过程太困难了。”施鹏说道。好在所有人的目标都是一致的,为了解决项目研究中出现的问题,近5年攻关过程中他们召开了无数次会议,不断学习、分享、融合。最终,多学科交叉反而成为了项目最大的亮点之一,而给生物学家带来极大挑战的数学领域最终也给他们带来了完全不一样的崭新发现。

为了突破以往动物复杂性状研究的瓶颈,他们在项目中采用了与之前完全不同的研究方式,通过大尺度、跨物种的进化比较,系统整合不同动物物种遗传因子—发育网络进化—表型适应性3个层面的全面数据,突破了静态描述和表象关联的局限,解析动物复杂性状的成因。他们将这种研究动物复杂性状的新思路称之为eGPSevolutionary Genotype-Phenotype Systems biology)。新思路的提出不仅得益于近几年来组学研究和非模式物种遗传操作技术的突破性进展,同时也得益于数学领域重要计算范式的引入。数学家们设计完成的整合生物学知识限制条件的数据挖掘建模算法,为eGPS理论的可视化动态建模探索提供了理论和技术支撑。

在这一专项中,他们紧紧抓住了科学和技术发展的新趋势,以系统集成和多学科交叉的方式实现动物复杂性状研究从目前GWAS(全基因组关联分析)范式到eGPS范式的转移,为人类慢性疾病的防治、畜禽经济性状的改良和动物特殊功能的仿生提供新的视角,使我国在新一轮生物科学和技术革命中占据一个重要的制高点。

经过几年的研究验证,“动物复杂性状的进化解析与调控”专项获得了系列突破进展,并作为此领域开创者之一,引领了国际遗传发育与进化理论研究。与此同时,为了充分整合资源,提高数据使用率,实现资源共享,在先导专项支持下,他们还以先导专项产生的组学数据为基础,建立了集数据汇交、存储、整合、管理与共享为一体的公共组学数据平台,支撑先导专项多项科研论文的数据共享与发布,获得CellNaturePNAS20余本国际期刊的认可,由此形成了中国自主的组学数据管理体系,具有重要的战略意义。

“进化生物学发展至今,在世界范围内的研究中心经过了几次迁移,从最早达尔文的英国时期到20世纪三四十年代的美国时期,再到世纪之交华人科学家的崛起,其中历程非常曲折。作为科研工作者,我们的最大目标就是希望能够做出一点成绩,能够为中国在这个领域带来一些具有影响力的成果,对于一个科学家来说这才是最重要的。”施鹏说道。

 

这里是云南

 

提到云南,人们的第一印象是什么?有的人可能会答丽江、大理、西双版纳,也有人会说苍山、洱海、泸沽湖,而在施鹏看来,云南不仅是动植物的天堂,也是他科研生涯的殿堂。

作为生物文明重要的发祥地之一,云南不仅是全国植物种类最多的省份,同时也是动物种类最多的省份,素有“植物王国”与“动物王国”之称。在全国3万种高等植物中,云南占60%以上,列入国家一、二、三级重点保护和发展的树种有150多种。而全国见于名录的2.5万种昆虫类中,云南就有1万余种,许多珍禽异兽如戴帽乌叶猴、亚洲象等在国内也仅分布在云南。

“对于进化生物学而言,云南是个从事研究的好地方。可能我们的经济发展程度不如中东部地区,但在进化生物学研究领域,云南是名副其实的风水宝地。”施鹏说道。也正因如此,20世纪末大学毕业后,从小热爱自然、喜欢研究动植物生存发展奥秘的施鹏,选择了离家千里、坐落于云南的中国科学院昆明动物研究所读博深造。在他眼中,这里是动植物王国,也是进化生物学的王国,“对进化生物学的兴趣驱使我来到云南,同样也驱使我在出国访问研究之后再次回到云南”。

2007年,在国外学习、掌握了世界前沿技术研究方法之后,施鹏第一时间选择了重回云南,并结合国内外学习研究经历,开始了崭新的征程:利用新一代测序技术,运用自然选择理论在基因组范围内探讨基因型和表型的关系;结合生物信息学和功能实验的方法来研究动物适应环境的分子机制;通过对非模式生物的基因组研究,从新的视角理解人类长寿、心血管疾病和肿瘤的发病机理及新的疾病相关基因资源的挖掘。

十几年来,结合世界领先的技术与源源不绝的科研探索热情,施鹏的研究终于在云南这块风水宝地碰撞出灿烂的火花。因在进化生物学领域取得的系列突破性成果,他获得国家杰出青年基金,并获云南省自然科学奖一等奖、中国科学院“王宽诚西部学者突出贡献奖”等。

2016年,在科研之外,他又迎来了另一个重担——担任中国科学院昆明动物研究所副所长,并主要负责人才管理工作。众所周知,人才引进一直是萦绕在西部研究所发展历程中的难题,不是所有人都能像施鹏一样只从科研领域本身的角度去考虑工作地点,到底该如何为地处云南的中国科学院昆明动物研究所招纳更多优秀人才呢?

“在人才引进方面,我们选择了3条路并行发展,即学科特色、硬件设施与培养体系。”施鹏介绍,“首先就是需要建设自己的学科特色。作为经济较为落后的西部地区研究所,如果所有学科研究都能在中东部进行,别人肯定不会来。之后还要有良好的硬件设施、大型科研平台,筑巢引凤来。最后,还要在内部搭建年轻人培养体系,形成一种良好的上升机制与氛围,吸引年轻人。归根结底,只有不断发展、强大的研究所才能吸引、留住人才。”

为了不断提高研究所在国内外的影响力,来到云南后的施鹏,与老一辈科学家一样,始终奋战在世界生物多样性演化、保护和利用研究的最前沿,带领团队取得了一批高水平研究成果,造就了一批优秀科学家,取得了良好的社会效益和经济效益,为国家和地方的发展做出了重要贡献。

在他们的带领下,如今的中国科学院昆明动物研究所,先后获得国家自然科学奖二等奖5项、国家技术发明奖二等奖1项、国家科技进步奖3项,并多次获得省部级及中国科学院重要奖项;拥有“遗传资源与进化国家重点实验室”“中国科学院动物模型与人类疾病机理重点实验室”两个主要研究单元,建设有“云南省动物模型与人类疾病机理重点实验室”“云南省活性多肽研究与利用重点实验室”等4个省级重点实验室,“国家昆明高等级生物安全灵长类动物实验中心(P3实验室)”“国家非人灵长类实验动物资源库”等8个支撑机构与技术平台,以及“云南无量山西黑冠长臂猿监测站”和“云南大山包黑颈鹤监测站”两个野外台站……

每一项荣誉与成就都得之不易也令人欣喜,但在施鹏的眼中这些还远远不够。对于诞生于国外的进化生物学而言,国内的研究起步较晚,要取得更多的话语权与影响力还需要科学家们不断努力。“我们的目标从来没有变过,一方面继续探索自然,取得更多原创性成果,提高国人话语权;另一方面培养更多接班人,学科发展的关键归根结底还是在年轻人身上。我们这一代人在老一辈科学家的研究基础上取得了目前的一些成绩,希望现在的年轻人能进一步超越我们,取得更大的成就。”施鹏说道。


分享到:

杂志
本期封面

2021年7月中

上一期 下一期