10年前，用一種簡(jiǎn)便易行的方法把物種一一歸類似乎是一項(xiàng)不可能的任務(wù)，但是感謝DNA條碼技術(shù),，如今地球上所有的物種都可能擁有一份獨(dú)特的“身份證”。
掃描生命的條碼
在超級(jí)市場(chǎng)的收銀臺(tái)前排隊(duì)等候結(jié)賬是一件令人感到無聊的事情,，但是如果沒有條碼,，你可能會(huì)感到更加無聊——如今，幾乎所有的超級(jí)市場(chǎng)的商品上都印有粗細(xì),、間隔不同的黑白條紋圖案,。利用光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，可以很容易地把保存在這種條紋圖案上的信息閱讀出來，從而加快顧客結(jié)賬的速度,。
多年以來,，生物分類學(xué)家一直在尋找能夠迅速區(qū)分不同物種的方法。傳統(tǒng)的分類學(xué)鑒定依賴于針對(duì)物種外觀或者解剖特征的識(shí)別,，這種方法既費(fèi)時(shí)費(fèi)力,，又可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。如果每一個(gè)物種都攜帶有表明自己身份的“條碼”,，那么物種分類和鑒定工作將得到很大簡(jiǎn)化,。
但是這樣一種條碼存在嗎,？當(dāng)然,，把一種生物的全部DNA信息和已知的DNA數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，也可以用于鑒別物種,，但是沒有人會(huì)這樣做,，因?yàn)檫@一方法實(shí)在過于昂貴和低效了?？茖W(xué)家希望找到一種特別的DNA標(biāo)簽,，它既不算太長，又具有獨(dú)特性,。
2003年年初,，加拿大圭爾夫大學(xué)的生物學(xué)家保羅·赫伯特（Paul Hebert）和他的同事在《英國皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)B輯》上發(fā)表了一篇論文，提出用一種基因的序列作為鑒別不同物種的“條碼”,。被赫伯特等人選中的這一基因是線粒體的細(xì)胞色素c氧化酶I基因（COI基因）,。線粒體為細(xì)胞提供能源，它擁有一套獨(dú)立于細(xì)胞核的DNA,。在過去,，科學(xué)家也曾把線粒體DNA當(dāng)做一種走時(shí)準(zhǔn)確的“分子鐘”，從而繪制出生物的進(jìn)化歷史,。
“COI基因很有效,，因?yàn)榫€粒體DNA進(jìn)化的速度很快，因此可以把年輕的物種區(qū)分開來,。”赫伯特告訴筆者,。COI基因的約650個(gè)“字母”，構(gòu)成了每一個(gè)物種的DNA條碼,。這是進(jìn)化帶來的遺產(chǎn)：在過去的某個(gè)時(shí)代,，一個(gè)物種分化成了兩個(gè)不同的物種，它們的COI基因也就走上了不同的進(jìn)化道路,。然而,，對(duì)于同一物種，COI基因基本上是相同的。
測(cè)定COI基因也很簡(jiǎn)單,，因?yàn)樗挥袔装賯€(gè)“字母”的長度,。這對(duì)于現(xiàn)代測(cè)序儀器而言簡(jiǎn)直易如反掌。而且由于COI基因來自線粒體,，它的拷貝數(shù)量更多（因?yàn)橐粋€(gè)細(xì)胞只有一個(gè)細(xì)胞核,，卻有許多線粒體）。測(cè)定一次COI基因只需要數(shù)美元的費(fèi)用,。測(cè)出一份樣本中的COI基因的序列之后,，把它們與已經(jīng)測(cè)定完成的序列相比較，就可以知道該樣本是否屬于某個(gè)已知物種,，而不需要利用傳統(tǒng)的分類學(xué)方法進(jìn)行鑒定,。
事實(shí)上，傳統(tǒng)分類學(xué)可能在一些時(shí)候犯了錯(cuò)誤,。2004年,，赫伯特的研究組分析了哥斯達(dá)黎加的一種蝴蝶。這并不是一種蝴蝶：這組科學(xué)家在分析了將近500只蝴蝶的條碼之后,，發(fā)現(xiàn)它們分別屬于10個(gè)物種,。他們的這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《公共科學(xué)圖書館·生物學(xué)》雜志上。同年,，赫伯特等人還測(cè)定了200多種北美鳥類標(biāo)本的條碼,，用于驗(yàn)證DNA條碼的效果，他們還發(fā)現(xiàn)了此前被劃為同一物種的鳥類其實(shí)屬于幾個(gè)物種,。
2007年年初,，赫伯特等人又將北美鳥類的DNA條碼數(shù)據(jù)擴(kuò)展到了600多種，約占北美所有鳥類的90％以上,。這表明了DNA條碼技術(shù)在鑒定鳥類物種方面是可行的,。
還有更大的DNA條碼計(jì)劃正在實(shí)施。例如,，一個(gè)稱為生命條碼數(shù)據(jù)系統(tǒng)（BOLD）的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫正在收集整理目前已經(jīng)測(cè)序的DNA條碼,。
迄今為止，地球上大約170萬個(gè)物種已經(jīng)得到了正式分類和命名,，但是科學(xué)家估計(jì)這不過是實(shí)際存在的物種數(shù)量的很小一部分——可能還有至少超過1億種生物沒有登記在案,。而國際生命條碼項(xiàng)目（iBOL）打算在5年內(nèi)完成50萬個(gè)物種的條碼測(cè)定工作。
從赫伯特提出利用COI基因?yàn)閯?dòng)物建立DNA條碼,，到大規(guī)模測(cè)序的啟動(dòng),，其間不過幾年時(shí)間。赫伯特說,，他認(rèn)為DNA條碼領(lǐng)域迅速興起是因?yàn)榇嬖趯?duì)物種鑒別的巨大需求,，同時(shí)DNA條碼已被證明可以提供有效的身份識(shí)別。“我還相信，自動(dòng)化識(shí)別的前景存在著巨大的吸引力,。”
赫伯特等人甚至設(shè)想了手持式的DNA條碼掃描設(shè)備（就像超級(jí)市場(chǎng)的條碼掃描槍）,。有了這樣的設(shè)備，可以改善諸如進(jìn)出口檢疫等領(lǐng)域的工作——隨著全球交通運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展,，越來越多的外來物種搭乘飛機(jī)或者輪船來到其他的國家,，對(duì)那里的生態(tài)造成了威脅。迅速的DNA條碼識(shí)別可以有效阻止外來物種的入侵,。
血漬的研究
DNA條碼技術(shù)也可能用于避免航空事故,。盡管鳥類的身體看上去脆弱無比，飛機(jī)與鳥類相撞的后果（尤其是高速飛行的飛機(jī)）可能是災(zāi)難性的,。如今,，美國聯(lián)邦航空管理局和軍方正在利用DNA條碼技術(shù)分析與飛機(jī)相撞的鳥類種類。“知道了哪些鳥類經(jīng)常與飛機(jī)相撞,，以及時(shí)間,、高度和遷徙路線,，就可能避免每年數(shù)千起鳥類和軍用,、民航飛機(jī)相撞事故中的一部分。”美國史密森學(xué)會(huì)的卡拉·德弗（Carla Dove）說,。
弄清物種的身份對(duì)于控制某些傳染病也有重要的意義,。“蚊子條碼計(jì)劃”是生命條碼聯(lián)盟（CBOL）發(fā)起的一個(gè)展示性質(zhì)的項(xiàng)目。該計(jì)劃打算測(cè)定全世界3000多種已知蚊子中的80％,。迄今為止,，已經(jīng)有超過250種蚊子的條碼被測(cè)定了出來。
蚊子的條碼數(shù)據(jù)可以幫助控制通過蚊子傳播的疾病,，例如瘧疾,、西尼羅河病毒和登革熱。全世界每年有5億人感染瘧疾,。這種疾病的病原體是通過蚊子叮咬人類傳播的,。但是并非所有的蚊子都能傳播瘧疾，借助蚊子條碼,，人們就可以更有針對(duì)性地控制傳播瘧疾的蚊子,，包括發(fā)現(xiàn)蚊子幼蟲的棲息地并噴灑殺蟲藥。
盡管仍然是一項(xiàng)新興技術(shù),，DNA條碼已經(jīng)給人們帶來了一些意外的發(fā)現(xiàn),。今年早些時(shí)候，美國自然歷史博物館的馬克·希德爾（Mark Siddall）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究組報(bào)告說,，他們發(fā)現(xiàn)在醫(yī)學(xué)和科研領(lǐng)域使用的一種醫(yī)用水蛭的身份存在問題,。
數(shù)個(gè)世紀(jì)以來，水蛭這種能吸血的動(dòng)物被用于某些醫(yī)療目的，包括治療頭疼,、發(fā)熱,、肥胖等等，盡管事實(shí)上水蛭并不能治療這些疾病?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)也使用水蛭,，例如，水蛭可以用于清除斷指再植患者的淤血,?？茖W(xué)家也把水蛭當(dāng)做實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，因?yàn)樗墚a(chǎn)生抗凝血的物質(zhì),，而且它也可以用于神經(jīng)科學(xué)和發(fā)育生物學(xué)的研究,。如今，被美國食品與藥品管理局批準(zhǔn)臨床使用的水蛭被稱為歐洲醫(yī)蛭,。由于歐洲醫(yī)蛭的棲息地不斷減少,，目前歐洲醫(yī)蛭多數(shù)是人工養(yǎng)殖的。
但是,，希德爾的研究組利用DNA條碼技術(shù)發(fā)現(xiàn)了目前市場(chǎng)上的歐洲醫(yī)蛭大多數(shù)是它的一種近親,。事實(shí)上，他們發(fā)現(xiàn)此前被認(rèn)為是一個(gè)物種的“歐洲醫(yī)蛭”其實(shí)是由至少三個(gè)物種組成的,。這些水蛭的形態(tài)很相近,，以至于此前幾乎沒有人注意到這種“魚目混珠”的情況。這項(xiàng)研究的成果意味著過去幾十年的科學(xué)文獻(xiàn)中提到的歐洲醫(yī)蛭至少有一部分是其他的水蛭,。
植物的難題
從一開始的時(shí)候,，科學(xué)家就意識(shí)到了COI基因可能無法用于植物條碼。“線粒體DNA在植物中的進(jìn)化速度太慢了,，以至于COI基因不能成為一個(gè)有效的身份系統(tǒng),。”赫伯特說。2003年,，赫伯特在史密森學(xué)會(huì)的一次會(huì)議上呼吁植物學(xué)家尋找植物中類似于COI基因那樣可以充當(dāng)條碼的基因,。然而在4年之后，他們?nèi)匀粵]有就植物條碼達(dá)成一致意見,。
他們尋找植物條碼的大方向是一致的,。使用細(xì)胞核DNA可能面臨拷貝過少的問題，線粒體在植物中的進(jìn)化速度又太慢,?？瓷先ヒ粋€(gè)不錯(cuò)的選擇是植物特有的葉綠體。葉綠體是植物的太陽能工廠,，負(fù)責(zé)把太陽能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能,，供植物使用,。與線粒體類似，葉綠體也擁有自己的DNA,。
史密森學(xué)會(huì)下屬的全國自然歷史博物館的約翰·克雷斯（John Kress）的研究組提出的方案是使用一個(gè)名為rbcL的葉綠體基因作為植物的DNA條碼,。克雷斯發(fā)現(xiàn),，這個(gè)基因可以用于有效地識(shí)別一些植物,，但是對(duì)于另外一些植物，它就不太有效了,。于是他提出增加另外一個(gè)基因從而提高條碼的可靠性,。其他的條碼基因候選者包括英國皇家植物園的馬克·蔡斯（Mark Chase）等人提出的三個(gè)基因的方案。韓國高麗大學(xué)的金基重等人也提出了用三個(gè)基因作為植物DNA條碼的方案,。
生命條碼聯(lián)盟的執(zhí)行秘書大衛(wèi)·辛德爾（David Schindel）說,，目前有幾個(gè)不同的研究組正在測(cè)試不同的候選基因區(qū)域在鑒別各種植物上的效果，有數(shù)個(gè)區(qū)域值得認(rèn)真考慮,，他們希望最終有兩到三個(gè)區(qū)域就足以擔(dān)任植物DNA條碼的任務(wù)了,。他對(duì)最終的解決方案持樂觀的態(tài)度。
“我認(rèn)為我們只要幾個(gè)月時(shí)間就可以找到這個(gè)問題的實(shí)際解決方案了,。”辛德爾說,。
