有一天你可能不是在科幻影片《侏羅紀公園》里，而是在現(xiàn)實中,，看見活生生的恐龍,、猛犸象……今年，科學家利用新技術從化石中成功提取出古生物的DNA,，這使追溯生物演化的全過程,、克隆古生物等成為可能？
這一發(fā)現(xiàn)被《科學》雜志列為“2006年度世界10大科技進展”之一。
技術突破
化石DNA研究極其煩瑣
保存在化石和考古材料中的古DNA,，由于受水解和氧化等降解因子的影響,，總是以高度片段化、小分子量的形式存在于古代樣品中,。
“化石DNA的保存好壞與其所在環(huán)境的溫度,、pH值、濕度,、液體的離子濃度及埋藏時間等因素有關,，一般來說干燥、低溫的環(huán)境下可以保存較好的化石DNA,。”中國地質(zhì)大學(武漢)地球科學學院教授賴旭龍說,。
對于化石和考古材料中的古DNA研究，同現(xiàn)代動植物的DNA研究一樣,，一般需經(jīng)過取樣,、提取、擴增和測序等步驟,，盡管古DNA研究的實驗儀器及實驗程序和現(xiàn)代DNA基本一致,，但是由于古代生物中保存的DNA經(jīng)受了不同程度的損傷降解、污染等,，這就要求有非常嚴謹?shù)膶嶒灄l件和經(jīng)過多方面的驗證才可以得出可靠的實驗結果,。
“古DNA的研究相對現(xiàn)在動植物的DNA研究來說要煩瑣很多。”賴旭龍說,。
化石DNA研究取決于技術
“化石DNA研究除要選用合適的研究材料外,，還與實驗技術有很大的關系。”賴旭龍說,。
他介紹,，化石DNA的研究過程自20世紀90年代以來就沒有大的變化：即在提取實驗后，進行多次常規(guī)PCR反應及分子克隆,，經(jīng)測序后獲得一系列古DNA片段,，然后拼合成一條完整的序列。
“每次PCR反應就要消耗掉提取出來的數(shù)量很少的古DNA模板,，當需要作更多的PCR反應時,，只好再進行古DNA的提取以獲得更多的模板。這種方法既消耗許多樣品和試劑,，同時也很耗時,。”賴旭龍說。
新技術被業(yè)界肯定
2006年“從化石中提取DNA”被評為2006年度世界10大科技進展,，主要成就在于歐美國家?guī)讉€實驗室利用一些新技術分別從尼安德特人和猛犸象獲得了古基因組,。其中美國和德國的幾個實驗室利用宏基因組學和高通量直接測的方法從未經(jīng)過擴增的古DNA提取物中獲得了65萬個堿基對和100萬個堿基對長度的尼安德特人的古DNA序列。
“這一方法不僅可以避免在PCR擴增中容易造成的核苷錯配，還為已滅絕生物的基因組研究提供新的方法,。另外,，由加拿大、美國及德國科學家組成的一個研究小組,，利用美國生命科學公司發(fā)明的一種快速簡單的測序方法從猛犸象化石中獲得了1300萬堿基對的古DNA序列,。”賴旭龍說。
“所以,，尼安德特人DNA能夠再次被評為2006年度世界10大科技進展,，更多的是對古DNA實驗技術創(chuàng)新的肯定。”
重大意義
研究生物演化須了解古生命
地球上的生命已經(jīng)有30多億年的歷史,，目前我們所能直接觀察到的現(xiàn)代生物世界,，相對漫長的生命演化史來說只是一個短暫的瞬間。要了解生物演化的全過程,，必須了解古代生命的發(fā)展,。
“對于古代生物的了解，我們主要基于對保存在地層中化石的研究,。在人們不能從化石中提取DNA時，這種研究主要是基于化石形態(tài)學的研究,。”賴旭龍介紹,。
古DNA能描繪生物譜系
古DNA作為在化石和考古材料中所能獲取的唯一的古代生物遺傳信息，目前已成為探索歷史時期生物系統(tǒng)分類,、演化和譜系發(fā)生的重要手段,。
賴旭龍介紹，已有研究證明從化石和考古材料中獲得的DNA已經(jīng)在古代和現(xiàn)代生物的譜系關系研究,，瀕危物種的保護,，現(xiàn)代人的起源、遷移和演化,，動植物的家養(yǎng)和馴化過程及早期農(nóng)業(yè)的發(fā)展,，遺傳多樣性的變化和古病理學研究等方面發(fā)揮獨特的作用，并且已對生物學,、古生物學,、地質(zhì)學、考古學和人類學等學科產(chǎn)生重要影響,。
前景預測
“新的古DNA技術的出現(xiàn),，無疑將為該研究領域帶來革命性變化，使我們從化石和古代生物中更容易獲得更多的古代生物的遺傳學信息,。預計將來可能的發(fā)展將主要體現(xiàn)在以下幾個方面,。”賴旭龍給記者做了預測。
預測一：用于古生物群體研究
2006年的尼安德特人和猛犸象的研究成果，主要是對單一化石標本的DNA研究,，這些成果盡管也探討了演化譜系的問題,，但更偏向于古DNA技術的探索。一旦該技術被證實是可靠的,，將來會大量的用在同一物種在不同時間序列上不同個體的研究,，從而可以從歷史群體遺傳學角度探討居群內(nèi)基因多樣性隨時間變化的情況。這類研究對于瀕危物種的保護尤其重要,。
預測二：從多種途徑獲取古DNA
將來獲取古DNA的材料將不會只是化石和古代生物的殘骸,，有了新的技術，人們還可以從凍土,、湖泊和海洋及洞穴等沉積物,、冰芯等載體中獲取古DNA，從而擴大古DNA研究對象,。
預測三：古DNA保存年限延長
20世紀90年代晚期以來,，國際古DNA學界普遍認為古DNA的保存理論年限只有10萬年，2003年丹麥學者Willerslev通過對西伯利亞凍土中古DNA的研究,，認為在有利古DNA保存的凍土地帶古DNA可以保存數(shù)十萬年,。隨著新的技術的出現(xiàn)，人們很可能從更古老的材料中獲得化石DNA,。
預測四：與生物小分子研究相結合
隨著從不同地質(zhì)載體中獲取古DNA的增多,，有可能可以對同一載體中保存的其他生物小分子進行綜合研究。以類脂為例,，作為生物小分子的類脂化合物比DNA更容易保存在地質(zhì)體中,，且保存的年限也比DNA長，已有研究證明類脂化合物是很好的環(huán)境和氣候變化的指標,，如兩者結合研究就可以較好地反映古代生物隨環(huán)境和氣候的變化所發(fā)生的演化趨勢,。
專家觀點
賴旭龍：中國地質(zhì)大學(武漢)地球科學學院教授
我國最先從古生物中提取DNA
從某種意義上來說，我國應該是世界上第一個試圖從古代生物中獲取DNA的國家,，1980年當時的湖南醫(yī)學院的專家從約2000年前的長沙馬王堆漢代女尸中取出古核酸,，該成果被德國哥廷根大學于1994年主編的第一本有關古代DNA的專著———《古代DNA》所提及，遺憾的是湖南醫(yī)學院的專家們當時沒有對馬王堆漢代女尸古DNA進行序列測定,。目前國際古DNA學界多認為美國加利福尼亞大學伯克利分校Higuchi等于1984年成功地從博物館保存的已絕滅100多年前四足動物斑驢的皮膚上提取并克隆的線粒體DNA為世界上第一例古DNA研究,。
與國外相比尚有差距
20世紀90年代早期國際上掀起古DNA研究熱潮，我國同行開始重新介入該研究領域,。1995年中科院南京地質(zhì)古生物研究所籌建了我國第一家專門的古DNA實驗室,。迄今為止，以我國學者為主除報道了華北地區(qū)猛犸象的古DNA,、青藏高原多年凍土中的古代眼子菜以及河南省古代綿羊殘骸中的古DNA序列外,，其他研究主要集中在我國不同年代和不同地區(qū)的古人類研究方面,。這些研究成果大部分均有待于得到可重復性實驗的證實，在國際上的影響不是很大,。坦率地說,，目前我國古DNA研究與國際先進水平尚有較大差距。
不過,，目前古DNA的研究標準已經(jīng)確立,，加上2006年度用于古DNA研究的一些新技術的誕生，只要立足于我國特有的化石和考古材料,，相信在不久的將來我國科學家有望在古DNA研究領域取得舉世矚目的研究成果,。
■新聞緣起
二○○六年年末，美國《科學》雜志公布當年度的十大科學進展,。這是對全球科學研究的年終盤點,，“共享科學”欄目將從十大科學進展中選取“化石中提取DNA”、“冰原正在不斷消失”等作深入報道,，讓讀者與我們一起共同關注科學發(fā)展前沿,。
■相關鏈接
美科學家欲從霸王龍化石里提取DNA
電影《侏羅紀公園》講述了科學家用DNA復制恐龍的故事，這個令人驚嘆的想法也許在未來會成為現(xiàn)實,。日前,，美國科學家從一具7000萬年前的霸王龍化石中發(fā)現(xiàn)了軟組織，并看見血管和細胞結構,。
這具霸王龍化石于2003年在美國蒙大納州被發(fā)現(xiàn),，且保存較好?？茖W家在對化石的一節(jié)腿骨進行研究后,，發(fā)現(xiàn)在骨腔里存在罕見的化石礦物質(zhì)沉積體,。在經(jīng)過脫礦物質(zhì)處理后，剩下的是柔軟,、透明且富有彈性的赭色軟組織,，在顯微鏡下甚至可以看到血管和細胞結構?，旣?middot;施韋策博士領導的美國北卡羅來納州大學研究小組稱：“這真是一件令人震驚的事，直到我們又重復了17次實驗,，才相信這是真的,。”
