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科学家揭示了树麻雀对青藏高原的适应机制。为了留在地球的第三极,他们对自己的身体进行了“大转变”,被称为地球的“第三极”。虽然它们拥有世界上最严酷的高原寒冷环境,但那里生活着许多生物。近日,青藏高原第二届动物多样性保护与可持续利用专题研究组的研究人员通过对高远地区麻雀种群基因组的研究,发现该属麻雀中的树麻雀对高远环境具有特殊的早期适应机制并对心肌和飞行肌的形态学特征进行分析。那么,树麻雀是什么时候在青藏高原出现的呢?在长期的进化过程中,它们是如何调整结构以适应高原环境的?带着这些疑问,本报记者采访了相关专家。

树麻雀是鸟雀科麻雀属27种小型鸟类的总称,其大小和体色关系密切。其中,树麻雀分布广泛。除了极冷的南北极和高山沙漠,树麻雀可以看到世界各地。树麻雀在人们居住的地方很活跃。他们很活泼,但他们非常警觉和好奇。那么,树麻雀是什么时候出现在青藏高原的呢?中国鸟类学会理事、中国科学院西北高原生物研究所副研究员李来兴认为,青藏高原抬升后,许多生物在人类之前就出现在这里,但树麻雀是伴随着人类的。”我们通过长期研究证实,在同时存在畜牧业和农耕文化的青藏高原,围绕村庄和农田,基本完成了树麻雀的筑巢、繁育、育雏、越冬等生活史。

因此,我们认为,大约3600年前,在青藏高原出现农耕文化之后,树麻雀物种才从低海拔地区传播到青藏高原。”李说,许多物种在地理上被分为亚种。亚种分化是由于物种在小范围内长期适应一定的环境,后代将形成一个局部种群。当地群体的基因相对保守,逐渐形成亚种。高海拔地区常见的树麻雀是青藏高原封闭繁殖种群进化后适合高原生存的一个亚种。如何快速有效地适应自然环境的变化,是长期居住证物种生存和种群定植的必要条件。通过对种群遗传结构、历史动态和全基因组特征基因组合的分析,青藏高原第二科研区动物多样性保护与可持续利用工程团队发现,千年来,树麻雀的心肌和飞翔肌变化明显,这与麻雀适应低空气密度、低氧分压环境的能力直接相关,研究人员比较了树麻雀高、低海拔种群的基因组学。

令人惊讶的是,虽然这两只麻雀的外部特征表现出高度分化,但它们的遗传差异却非常微弱。这种对比使研究人员有了另一种关联。也许高原树麻雀外部特征的变化只是动物短期应激效应的表现。为了验证这一猜想,研究小组对低空树麻雀(俗称“取水取土”)进行了为期一个月的缺氧驯化试验,研究人员发现,低空树麻雀的心肌与飞行肌之间的相关性并没有出现想象中的变化。由此可见,仅仅从身体对环境的短期适应和做出相应的调整的角度出发,也未能说明高海拔树麻雀的主要特征发生了变化。

遗传基因差异不大,短期胁迫不会引起相关性状的变化。那么,是什么决定了高原生活适应过程中的一系列变化呢?研究人员发现,与基因组背景相比,高海拔和低海拔麻雀全基因组中与适应性状相关的一系列基因(如与肌肉发育相关的基因)具有更高的遗传分化。所谓遗传分化,是指母系具有相同的特征,当遗传给后代的不同个体时,表现不同,就像重睑的母亲,其后代也可能有单眼睑。在对两种树麻雀的比较试验中,研究人员发现与表型性状密切相关的多个基因位点同时发生变化。

这种被称为“多基因效应”的机制有助于推动高原树麻雀肌肉等表型性状的快速变化。综合各种研究结果,研究团队发现,与具有长期适应性进化历史的鸟类相比,树麻雀性状的变化可能更多地处于“亚健康状态”,即多基因效应与生理可塑性变化的交叉状态“树麻雀的这种生理变化不是基因突变,”李解释说。随着环境的变化,动物的调节机制会适应新环境的影响,但并不一定是遗传结构发生了变化。”西藏低空麻雀面临哪些挑战?试想一下,一只树麻雀拍动小翅膀来到青藏高原“旅游”的结果当低海拔地区的树麻雀来到青藏高原时,首先和人类一样,会有类似的高原反应,这说明3天内的心脏跳频速度非常快。

第二个变化发生在三天后。麻雀红细胞密度全面增加,几乎达到生理极限,以适应高原缺氧环境。如果树麻雀想在青藏高原定居,需要在身体上做进一步的调整,比如加强心肌和飞翔肌。随着时间的推移,这种效应将在遗传结构中得到巩固。这是我们今天看到的树麻雀成功扩散到青藏高原的艰难进化过程。”李来兴这样说。此外,高原紫外线强烈,辽阔的草原缺少林荫;草原景观色彩单一,绚丽的体色容易被天敌发现,在适应和进化过程中,树麻雀的羽毛颜色由棕色和黑色逐渐变为浅黄褐色。

李克强还说,生活在低海拔地区的树麻雀来到高海拔地区后,还将面临天敌等生物环境和多种病原体的威胁。尤其是动物与病原体之间的斗争,不再是简单的“一对一”,而是生物物种之间的智慧博弈。最后,实现了动物与病原体的协同进化。与高原相连的“原住民”的生存技能是海拔高、地形复杂、冻土区范围最广、面积最大。独特的地理环境使青藏高原夏季阴凉多雨,冬季寒冷干燥,紫外线强,空气湿度低。据不完全统计,陆栖脊椎动物有1047种,其中106种为特有种。

在这些陆生脊椎动物中,有哺乳动物28科206种,占中国陆生脊椎动物总数的41.3%。鸟类63科678种,占我国鸟类总数的54.5%。李来兴说,为适应青藏高原高海拔、低氧环境,机体的各种适应机制正在发挥充分作用。研究人员发现,藏羚羊作为青藏高原特有种,其心脏重量高达214.7g,具有心脏收缩力强、心肌细胞线粒体含量增加等特点,有利于心脏血液的快速循环和供氧;牦牛的肺是青藏高原特有种高原具有肺重量大、肺泡数量多、肺组织毛细血管网发达等特点,有助于提高高原缺氧条件下的气体交换能力;生活在山林中的鸟类也有适应的生理和形态变化,如心肺质量的增加,从而获得足够的氧气。

本报记者张云[编辑:陈海峰]。。