有一天你可能不是在科幻影片《侏羅紀(jì)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(xué)家利用新技術(shù)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(xué)》雜志列為“2006年度世界10大科技進(jìn)展”之一,。
技術(shù)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(guān),，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(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)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(kuò)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(yán)謹(jǐn)?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(jié)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(shù)
“化石DNA研究除要選用合適的研究材料外,，還與實驗技術(shù)有很大的關(guān)系,。”賴旭龍說。
他介紹,，化石DNA的研究過程自20世紀(jì)90年代以來就沒有大的變化：即在提取實驗后,，進(jìn)行多次常規(guī)PCR反應(yīng)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(yīng)就要消耗掉提取出來的數(shù)量很少的古DNA模板，當(dāng)需要作更多的PCR反應(yīng)時,，只好再進(jìn)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(shù)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(jìn)展，主要成就在于歐美國家?guī)讉€實驗室利用一些新技術(shù)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(xué)和高通量直接測的方法從未經(jīng)過擴(kuò)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(kuò)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(xué)家組成的一個研究小組,，利用美國生命科學(xué)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(jìn)展,，更多的是對古DNA實驗技術(shù)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(xué)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(guān)系研究,，瀕危物種的保護(hù)，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(xué)研究等方面發(fā)揮獨(dú)特的作用,，并且已對生物學(xué),、古生物學(xué)、地質(zhì)學(xué),、考古學(xué)和人類學(xué)等學(xué)科產(chǎn)生重要影響,。
前景預(yù)測
“新的古DNA技術(shù)的出現(xiàn)，無疑將為該研究領(lǐng)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(xué)信息,。預(yù)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(yù)測,。
預(yù)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(biāo)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(shù)的探索,。一旦該技術(shù)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(xué)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(hù)尤其重要。
預(yù)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(shù)，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(kuò)大古DNA研究對象,。
預(yù)測三：古DNA保存年限延長
20世紀(jì)90年代晚期以來,，國際古DNA學(xué)界普遍認(rèn)為古DNA的保存理論年限只有10萬年，2003年丹麥學(xué)者Willerslev通過對西伯利亞凍土中古DNA的研究,，認(rèn)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(shù)的出現(xiàn)，人們很可能從更古老的材料中獲得化石DNA。
預(yù)測四：與生物小分子研究相結(jié)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(jìn)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(biāo)，如兩者結(jié)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(diǎn)
賴旭龍：中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)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(yīng)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(dāng)時的湖南醫(yī)學(xué)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(xué)于1994年主編的第一本有關(guān)古代DNA的專著———《古代DNA》所提及,，遺憾的是湖南醫(yī)學(xué)院的專家們當(dāng)時沒有對馬王堆漢代女尸古DNA進(jìn)行序列測定,。目前國際古DNA學(xué)界多認(rèn)為美國加利福尼亞大學(xué)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(jì)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(lǐng)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(xué)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(fù)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(jìn)水平尚有較大差距,。
不過,，目前古DNA的研究標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確立，加上2006年度用于古DNA研究的一些新技術(shù)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(xué)家有望在古DNA研究領(lǐng)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(xué)》雜志公布當(dāng)年度的十大科學(xué)進(jìn)展,。這是對全球科學(xué)研究的年終盤點(diǎn)，“共享科學(xué)”欄目將從十大科學(xué)進(jìn)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(guān)注科學(xué)發(fā)展前沿。
■相關(guān)鏈接
美科學(xué)家欲從霸王龍化石里提取DNA
電影《侏羅紀(jì)公園》講述了科學(xué)家用DNA復(fù)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(xué)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(xì)胞結(jié)構(gòu),。
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(xué)家在對化石的一節(jié)腿骨進(jìn)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(xì)胞結(jié)構(gòu)?，旣?middot;施韋策博士領(lǐng)導(dǎo)的美國北卡羅來納州大學(xué)研究小組稱：“這真是一件令人震驚的事,，直到我們又重復(fù)了17次實驗,，才相信這是真的。”
