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科学家的宠儿,墨西哥城的表情包,在野外却近乎灭绝的萌物

Nature自然科研 2017-12-08 09:45:19 阅读:

尽管饲养数目巨大,但这种蝾螈已几乎从其自然栖息地消失,成为一大难题。

上世纪90年代末,生物学家Luis Zambrano开始了他的科研之路。他曾想象自己在远离人类的地方工作,或许能在墨西哥尤卡坦半岛某个偏僻的角落里发现新的物种。

然而,2003年,他却在统计墨西哥城霍奇米尔科区域饱经污染而污浊的运河里的两栖动物数目。这项工作的好处在于他从家走几分钟就能去研究美西螈(Ambystoma mexicanum,墨西哥钝口螈),这种蝾螈是墨西哥的象征,同时可能也是世界上识别度最高的蝾螈。

但是才第一年,Zambrano就迫不及待地希望结束这项工作。

科学家的宠儿,墨西哥城的表情包,在野外却近乎灭绝的萌物

美西螈生活在世界各地的实验室和族箱中,却正在从它们的自然栖息地中消失。

图片来源:Brett Gundlock for Nature

“老实说,从一开始我就讨厌这个项目,”他表示,原因只有一个,就是“根本一只美西螈都找不到”。

然而一段时间后,他的确找到了一些美西螈。他的发现使他感到惊讶,并且改变了他的职业生涯。1998年,第一项严格统计美西螈数量的研究预计霍奇米尔科每平方公里约有6000只。目前已是墨西哥国立自治大学(UNAM)教授的Zambrano发现,2000年这一数字下降到每平方公里1000只左右;到2008年,仅为 100只;时至今日,由于污染和入侵的捕食者,每平方公里美西螈的数目不到35只。

美西螈在其唯一的自然栖息地—墨西哥城的运河中濒临灭绝。尽管野生美西螈仅剩几百只,但成千上万的美西螈存在于世界各地的水族箱和实验室中。美西螈的人工饲养如此普及,以至于日本的某些餐馆甚至供应油炸蝾螈。

“美西螈完全是物种保护过程中的一个矛盾体,”英国肯特大学的生态学家Richard Griffiths表示,“因为它可能是世界上宠物商店和实验室中分布最广泛的两栖动物,却在自然环境中几乎灭绝。”正是他招收Zambrano到上述项目中。

这为生物学家带来一个难题。鉴于其独特的生理机能及杰出的断肢再生能力,美西螈成为组织修复、发育及癌症研究中重要的实验室模型。然而在经过几百年的近亲繁殖之后,饲养种群极易患上疾病。同时随着野生美西螈种群锐减,其遗传多样性的流失意味着科学家们失去了全方面了解美西螈生物学的机会。

在科学家们继续在实验室研究饲养这种蝾螈和它庞大复杂的基因组时,Zambrano与另外一些科学家正在竭尽所能保护这种野生蝾螈。他们将饲养的美西螈放回霍奇米尔科附近的实验池塘和运河,并观察其存活情况,以期保持它们的一部分天然遗传多样性。拯救美西螈的任务很困难,但考虑到该物种极强的生存能力也并非完全不可行,尤其是在墨西哥政府愿意参与到这一过程中的情况下。

“我已经在世界上的其他地方看到,这类艰巨的任务是可行的,”Zambrano表示,“如果他们能做到,我们为什么不能?”

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生物学家Luis Zambrano(中间落座者)和他的学生清晨在墨西哥城霍奇米尔科运河上。

图片来源:Brett Gundlock for Nature

长不大的生物

与该区域的其他蝾螈物种相比,美西螈演化得相对较晚,并且在墨西哥中部山区沿着特斯科科湖岸大量繁殖。美西螈是幼态持续型物种,成年美西螈仍保持着相近物种幼体中才有的性状。尽管其他蝾螈已经变为陆生动物,但美西螈仍保留有羽毛状的鳃并终生生活在水中,似乎永远不会长大。

在13世纪时期,墨西加人(欧洲人称其为阿兹特克人)定居在特斯科科湖边。他们建立了由湖中心岛城控制的强大帝国。随着帝国的发展,其国土面积也在不断扩大,并且在1521年被西班牙征服后加速增长。如今,美西螈的栖息地仅剩墨西哥城南部霍奇米尔科约170公里纵横交错的运河区域。

科学家的宠儿,墨西哥城的表情包,在野外却近乎灭绝的萌物

围绕着特诺奇提特兰岛城,墨西加原住民修建了浮园,形成的运河成为美西螈完美的栖息地(见1510年地图)。在欧洲人征服这座城市之后,湖水被放干(见1850年地图)。现在仅存一小片美西螈栖息地(见2010年地图)。

图片来源:Tomás Filsinger

这一物种在殖民统治下很可能完全灭绝,但它无法长大的奇怪现象吸引了欧洲科学家的注意力,19世纪末的科学家们对此百思不得其解。

墨西哥的访客将这种生物带走并开始饲养它们。最终这种动物成为了完美的研究对象:它们容易在实验室条件下繁殖,生存力强且容易照料。美西螈细胞体积较大,方便开展相关发育研究。它们的卵子约比人类的大30倍。此外在美西螈胚胎中,形成脑和脊髓的前体—神经板的细胞体积几乎比人类的大600倍。

同时,不同于人类和其他动物中统一的细胞特征,美西螈相近细胞的色素沉积差异极大。这一点能够帮助研究者追踪胚胎中每部分分别发育成哪种器官。然而美西螈基因组很庞大,几乎是人类基因组的十倍,这使得某些方面的研究变得更有挑战性。

“美西螈不是一个好的遗传模式生物,但它的再生能力使其成为极好的生物学模式生物。”美国加州大学欧文分校的发育生物学家David Gardiner表示。他致力于美西螈再生能力的研究长达数十年。

在二十世纪初,美西螈对于了解脊椎动物器官发育与功能极为重要。它们帮助科学家揭示了人类一种脊椎发育不良的先天疾病——脊柱裂的发病原因。同时,它们也为甲状腺激素的发现做出了贡献:在上世纪20年代,科学家给美西螈饲喂牲畜的甲状腺组织。如果该组织分泌甲状腺激素,美西螈将发生变态,失去鳃并退去幼体皮肤。

在上世纪80年代,科学家通过美西螈建立了一种解释胚胎细胞分化的模型。这一“细胞状态分流”模型假设干细胞通过与胚胎细胞类似的、波浪式收缩或延伸运动形成特定组织。科学家成功观察到美西螈细胞在形成组织前的挤压和延伸运动。在2011年,美西螈卵母细胞提取物被用于激活肿瘤抑制基因,从而终止乳腺癌细胞增殖。

然而美西螈对科学研究最杰出的贡献也许是再生医学。美西螈能够再生失去的四肢、尾巴、器官、部分眼睛,甚至大脑的某些部分。许多科学家推测这是因为幼态持续的美西螈仍保留着胚胎期的某些性状,不过其他种类的蝾螈成体也具有再生能力。

德国德累斯顿工业大学研究再生过程的Tatiana Sandoval Guzmán表示,数十年来科学家一直在尝试找到美西螈再生能力背后的机制。它们是如何做到的?什么是它们有而我们没有的?又或者恰恰相反——哺乳动物中的什么阻止了再生过程?

Sandoval Guzmán对骨骼和肌肉的再生很感兴趣,并在德累斯顿接管了一个长期研究美西螈的实验室。作为一个一直在霍奇米尔科附近上学的墨西哥人,在来到德国之前,她从未特别留意过美西螈,更没有想过去研究它。现在她为这种生物着迷,并发现美西螈中与肌肉组织干细胞相关的多种再生机制与人类中所发现的并没有很大的差别。

大多数再生研究聚焦于断肢伤口处形成的芽基。人类这样的伤口被皮肤组织所覆盖,而美西螈将芽基附近的细胞转化为干细胞并使更远的细胞聚集到伤口处。这样一来,细胞便以动物在受精卵内发育相同的方式形成骨头、皮肤和血管。在此过程中,每种组织都贡献自己的干细胞。

研究者发现转化生长因子-β蛋白在美西螈再生和防止早期妊娠期间人类受伤胚胎瘀痕组织形成中都发挥着重要作用。成年小鼠和人类能够再生趾尖,尽管人类会随着年龄增大而失去该功能,但仍说明哺乳动物的再生能力能够被重新唤起。

“终有一天人类也能够进行再生,”Gardiner表示。他的研究并不侧重于断肢重建,而是关注通过修复受伤和残缺的组织使其能够活动、生长出健康的组织,甚至逆转老化。“到那时回头记录整个故事,这些模式生物将会被再次提起。”他说。

然而也许等那天真的到来时,野生美西螈已经消失殆尽了。Gardiner和Sandoval Guzmán为此感到担忧,因为他们所研究的动物,像其他许多实验动物一样,是高度近亲交配的。

科学家用“近亲系数”来衡量一个基因库的大小。同卵双胞胎之间的系数为100%;完全不相关的两个个体的系数接近于零。系数超过12%表示种群中的个体大多数与第一代表亲交配,生态学家和遗传学家认为这是很严重的问题。

十七世纪的西班牙哈布斯堡王室就是著名的近亲结婚家族,他们产生了不健康的后代,其近亲系数超过20%。然而美西螈的平均近亲系数高达35%。

“我们现有的这些动物还可以勉强正常存活、正常再生。但它们高度近亲交配已经成为了瓶颈,”Gardiner表示,“近亲繁殖的种群极易生病。”

它们高度近亲交配一定程度上是由被捕捉的美西螈在历史上奇异的传播路径造成的。大多数实验室样本都能够追溯到1863年一只法国探险队从霍奇米尔科带出的34只美西螈。这些动物在全欧洲的博物馆和自然学家中掀起一股美西螈饲养热潮。

1935年,一些美西螈被从一个波兰实验室带回北美,并最终在纽约布法罗大学用于配种。在此,科学家引进了一系列野生美西螈来扩大基因库,甚至一度还带来了虎螈(Ambystoma tigrinum,虎纹钝口螈)。布法罗大学的美西螈种群大量繁殖,最终转移到列克星敦的肯塔基大学,现在肯塔基大学已经是全球美西螈饲养中心。这意味着除近亲繁殖以外,几乎所有实验室和水族箱里的美西螈都还有一部分虎螈血统。

“他们当时一定在欧洲遇到了瓶颈,现在又再一次遇到瓶颈,”肯塔基项目负责人Randal Voss表示,项目现在共有2000只美西螈成体及3000到5000只幼体。

Voss说由于现代遗传学和干细胞研究的发展,美西螈研究已扩展到全球。2015年,他和他的团队发表了美西螈基因组初步组装数据。考虑到美西螈约320亿碱基的基因组大小,这着实是一项异常艰巨的任务。该基因组的大小和复杂度远远超过了Voss团队的处理范围,目前这项任务尚未完成,其他研究中心的科学家将继续努力来获得完整的基因图谱。

但正当他们忙于这项工作时,美西螈对疾病的易受性已经导致Voss实验室大量美西螈莫名死亡。科学家担心如果一种新的传染病在全球实验室中传播,则可能导致他们不得不放弃美西螈,而这可能使相关研究倒退数年。

更糟的是,没人能够保证实验室美西螈尚未与野生美西螈演变出巨大的差别,从而导致它们可能已丢失了再生相关的重要元素。“重新去研究野生种群可能会发现不同的机制或不同的基因,”Sandoval Guzmán说,“遗传多样性的丢失无疑是科学的损失。”

多趾畸形的美西螈

“我无法确定,但肯塔基的美西螈的确有些不同,”Arturo Vergara Iglesias一边说,一边望向水池里懒洋洋爬来爬去的美西螈,“它们中有很多畸形,例如常常有太多指头。”

Vergara Iglesias是霍奇米尔科附近美西螈饲养机构生物水产研究中心(CIBAC)的一名生物学家,他希望能够保存少量野生美西螈品系。作为兼职,他自己饲养野生美西螈并出售给实验室和宠物商。他管理着一个位于传统霍奇米尔科浮园的蝾螈养殖池,这块地方现已用做游客教育基地。

这里饲养的都是由距此不远的水域中捕获的32只美西螈繁殖来的。在墨西哥,美西螈是一种珍贵的宠物,也是墨西哥人民族自豪感的一个来源。它是许多墨西哥文化图腾和纪念品的主题,甚至被用作墨西哥城的官方表情。

想要确切知道野生美西螈的数目很困难。Zambrano猜测在他2014年进行最后一次调查时,其总数少于1000只,甚至不到500只。但他不能确定,在过去的两年里,他未能筹到经费来完成后续研究,这对于保护美西螈来说并不是一个好的预兆。

科学家的宠儿,墨西哥城的表情包,在野外却近乎灭绝的萌物

生物学家Luis Zambrano的学生们将一只美西螈放到墨西哥国立自治大学附近一个受保护的池塘。

图片来源:Brett Gundlock for Nature

Zambrano表示,为了拯救野生美西螈,决策者必须应对两种首要威胁。首先是外来鱼类,如鲤鱼(Cyprinus carpio)和罗非鱼(Oreochromis niloticus)。讽刺的是,这些鱼类在上世纪七八十年代被联合国粮农组织引进到霍奇米尔科地区,目的是增加当地饮食中的蛋白质。

Zambrano说自己绘制出了美西螈仍存在的区域;他期望能够出钱组织当地渔民持续清除这些区域的鱼类。尽管这种措施不能除去所有的鱼类,但通过这几十万美元投入便能给这种蝾螈带来恢复种群数量的机会。他的研究表明鲤鱼对处于卵期的美西螈最危险,而罗非鱼则威胁到美西螈幼体,但美西螈长到一定大小之后,就有可能不受影响继续生存。

第二种威胁更加复杂。每次暴风雨来袭,城市老化的排水系统不堪重负,废水处理设施便会将含有氨、重金属和未知有毒化学物质的人类废水排放到霍奇米尔科。部分依赖于高渗透性皮肤进行呼吸的两栖动物很容易受到这些常规污染物的影响。这证明了美西螈在野外生存的适应能力。

这些都是相当复杂的问题,但并非无法解决。然而到目前为止,除了少数并不全心投入的外展项目以及某些拍摄机会,并没有人为拯救野生美西螈付出努力。2013年,CIBCA为一项行为研究而放了几千只美西螈,其中一些存活了下来,而且似乎在第二年进行了繁殖。这说明实验室饲养蝾螈在达到一定种群数目的情况下或许能够在野生环境中繁殖。但同时生物学家也警告说,这并不意味着墨西哥应当开始将饲养美西螈释放回运河中。

“在消除美西螈所面临的威胁之前,将它们放归野生环境并没有太大的意义,” Griffiths表示,“反而有可能因为投放了大量鱼食,而增加鱼类的数量。”

当Griffiths于2000年开始在霍奇米尔科工作时,他计划创建一项以放归美西螈为目标的养殖项目。但在他和墨西哥同事们看到严重污染、捕食者猖獗的生态系统之后,很快放弃了这种想法。让美西螈们去送死是毫无意义的。成功的物种引进,正如英国的莱桑池蛙(Pelophylax lessonae)或者美国的隐鳃鲵螈(Cryptobranchus alleganiensis),需要将生态系统作为整体来进行管理,并且融入生态群落。

“如果十年内每年投入一百万美元,我们就能拯救霍奇米尔科。这与花费在这座城市其他方面的钱相比,简直九牛一毛。”Zambrano说道。

十月的一个下午,Zambrano和一群志愿者在墨西哥国立自治大学校园附近将十只实验室饲养的美西螈放到一个受保护的池塘。如果它们能够生存并繁殖,说不定某天能够作为这种生物的一个基因库。在两年的时间里,Zambrano不时放归并追踪这里的美西螈来了解它们的行为和栖息地偏好。

他迄今的工作表明蝾螈更喜欢略污浊的池塘而不是干净的,这同样说明如果其他的问题被消除,美西螈仍能够在霍奇米尔科大量繁殖。类似地,CIBAC在繁殖野生型美西螈以期保护遗传多样性。但大多数研究者认为,如果美西螈没有一个合适的生存环境,无论怎么做,它们都可能无可避免地从野生环境中灭绝。

“这样一想,我感到很沮丧,”Zambrano表示,“换个角度来看,我正在竭尽全力阻止这件事发生。”

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