[小红猪]恐龙孵化记

标签: 小红猪 小红猪抢稿 活动 生物 | 发表时间:2011-10-18 08:42 | 作者:小红猪小分队 Duo
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出处:http://songshuhui.net

译者:伏维阁主

校对:Ent

小红花等级:4朵

原文地址: http://www.wired.com/magazine/2011/09/ff_chickensaurus/all/1

原文作者:托马斯·海登(Thomas Hayden)

图片:丹·福布斯(Dan Forbes);建模:詹森·克雷·刘易斯(Jason Clay Lewis)

图片:丹·福布斯(Dan Forbes);建模:詹森·克雷·刘易斯(Jason Clay Lewis)

找只鸡来进行DNA改造,然后后退两步,静观其变。

杰克·霍纳(Jack Horner)过去常被人嘲笑:你一定是疯了!但笑到最后的总是他。他曾在本科学习七年,在海军陆战队服役,在普林斯顿大学担任古生物研究员;之后在1982年,他得到了一份在博兹曼的蒙大拿州立大学落基山博物馆的工作。他的职位是古生物博物馆馆长,但不久后他就对上级表示,他更想教古生物学。霍纳回忆道:“他们说,那是不可能的。”四年之后,他获得了麦克阿瑟天才奖(美国跨领域最高奖项之一。获奖者为在各个领域内具有非凡创造性的杰出人士——译者注)。“之后他们就改口了,说我想做什么都可以。”霍纳现年65岁,在落基山博物馆供职至今,那里堆满了他的发现。但直到现在,他仍然没有拿到学士学位(霍纳曾就读于蒙大拿州立大学,主修地质学和动物学,然而因为没能通过外语考试,无法获得学士学位——译者注)。

我们现在试图做的,正是养鸡、改造——打造“鸡龙”(chickensaurus)

早在上世纪50年代,当霍纳还是个孩子的时候,恐龙被认为是一种冷血、独行的爬行动物——一种真正的怪兽。可小霍纳并不这么看。他从那些数亿年前的恐龙骨骼中窥见了它们的社会性,看出了它们本是一群群居的生物——换句话说,恐龙与现代爬行类动物截然不同。之后,在70年代,霍纳和他的朋友鲍伯·马卡拉(Bob Makela)发掘出有史以来最壮观的恐龙遗迹——一个鸭嘴龙类恐龙(即Maiasaura,慈母龙——译者注)的大型公共栖息地。它位于蒙大拿州西北部,拥有大量的成年、幼年恐龙和恐龙蛋的化石。在那里,他们为1号狂想找到了证明:这里的恐龙父母确实曾有养育孩子的行为。因为从小鸭嘴龙的骨骼化石判断,它们还太弱小,尚无法觅食。

霍纳继续寻找证据,试图证明以下观点:恐龙在被孵化出来后,成长异常迅速(2号狂想);它们很可能是恒温动物(3号狂想)。他还一直奋斗在寻找“在化石中保存完好的有机物中的远古遗传物质(4号狂想)”的第一线。这些狂想,外加他作为侏罗纪公园系列电影的技术顾问的卓越见解,深刻地影响了我们现在对于恐龙的看法——也许可以说,在恐龙的问题上,他是在世的古生物学家中对我们影响最大的一位。

这一切的结果是,人们逐渐学会采取更谨慎的态度来决定是否该嘲笑他的疯狂,甚至是在他告知人们他的下一步计划之后:这一次,杰克·霍纳想打造一只恐龙。他并非是要重启演化过程,从头开始——这才是荒谬的。他声称,他真正要做的是对鸡进行“逆向演化”操作。“这确实是疯狂的。”霍纳承认,“但也确实是可能的。”

在过去数十年间,包括霍纳在内的古生物学家们已经找到大量证据,证明现代鸟类是恐龙的后裔;它们的一切特性——从在巢中生蛋的习性,到骨骼的解剖结构——都承袭自它们的远古祖先。事实上,鸟类和恐龙之间的共同点是如此之多,以至于现在大部分科学家都相信鸟类就是恐龙,而它们又与双足行走、肉食性的兽脚类恐龙——如霸王龙(Tyrannosaurus rex)和伶盗龙(velociraptor)——的亲缘性最近。

要注意的是,“亲缘性相近(closely related)”这个词对于演化生物学家和对于其他人——比如说撰写伦理法的人——来说,含义截然不同。在演化生物学里,一切生物之间都具有亲缘性:从基因上看,固然人类和黑猩猩几乎没有区别;然而,我们和蝙蝠的区别也不大。

你好,小鸡龙!  图片:丹·福布斯

你好,小鸡龙! 图片:丹·福布斯

早已灭绝的生物,被演化舍弃的过去,有些痕迹偶尔会回光闪现于今——这种现象被称为“返祖(atavisms)”。它指的是有少数个体会生而带有其远古祖先的一些特征。比如,有些幼鲸长着副肢,作为(对它们陆生的祖先所拥有的)后肢的回忆;有些婴儿出生时全身遍被毛发,或者生有副乳;甚至有极少数婴儿长着一条真正的尾巴。至于霍纳的实验计划,其本质是,在实验室中培育出有返祖现象的实验体。他的逻辑是,如果能够在一只鸡身上激发出足够多的属于其远古祖先的特征,那么你就能得到一个与其祖先相当近似的生物——即“恐龙”。至少,他在今年的TED会议——一场在加利福尼亚州长滩市举办的一年一度的科技、娱乐和设计盛会——上是这么说的。“当我还是个孩子的时候,我曾经有两个梦想,”他告诉观众,“我想成为一个古生物学家,一个研究恐龙的古生物学家;还有,我想养一只宠物恐龙。”

霍纳说,鸡的骨骼结构与霸王龙的骨骼结构其实非常相似。  图片:乔·布里叶瑟(Joe Pugliese)

霍纳说,鸡的骨骼结构与霸王龙的骨骼结构其实非常相似。 图片:乔·布里叶瑟(Joe Pugliese)

迄今为止,研究人士已经发现了一些激动人心的迹象——至少有一部分远古恐龙的特征可以被重新激活。霍纳坦率地承认他自己不具备足够知识,不足以独立完成他的实验。所以,他正在积极寻找一名发育生物学博士后加入他在蒙大拿州的实验团队。他已经有了大的构想,也有了启动资金。

他对TED观众说,现在万事俱备,只欠东风——一些发育生物学和基因学上的突破,以及可以用来进行实验的鸡蛋。他说:“我们现在试图做的,正是养鸡、改造——打造‘鸡龙’。”

霍纳的方法,即通过逆向演化操作得到恐龙,让人们大跌眼镜——这与人们普遍设想的恐龙回归地球的方式迥然不同。因为这一切与迈克尔·克莱顿(Michael Crichton)的小说《侏罗纪公园》的背景设定太相似了。而在“侏罗纪公园”里,被封闭在史前琥珀中的吸血昆虫体内存有的恐龙DNA量就足够让科学家克隆出这种原始巨兽。在1990年小说出版之后,霍纳就开始评估这种方法的可行性。之后,他还在系列电影“侏罗纪公园”三部曲中担任顾问。他的最终结论是,DNA在琥珀和骨骼(无论它们保存得多么完好)中都分解得太快了。换句话说,直接克隆恐龙这条路是行不通的。然而他并未就此轻易放弃养恐龙的儿时梦想。“但直到我弄清我们的局限何在,”他说,“我才真正确信我们可以做到这一点。”

所以在那以后,他开始阅读发育生物学论文。在2005年,他读到了肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)的一本名为《蝴蝶、斑马与胚胎:探索演化发生学之美》(Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo Devo and the Making of the Animal Kingdom)的书(其英文书名“Endless Forms Most Beautiful”取自达尔文《物种起源》第十五章结语“from so simple a beginning, endless forms most beautiful and most wonderful have been, and are being, evolved”,即“无数最美丽和最奇异的物种正是由如此简单的开端演化而来”——译者注)。在上世纪80年代,作者卡罗尔是演化发育生物学的开山鼻祖之一。演化发育生物学,或称演化发生学(Evo Devo),其重点在于研究演化的分子机制。一个基本的生物学事实是,生物世代演化,代与代之间的变化受基因突变的随机性和外在环境的风选效果(winnowing effect。“风选”原指一种借由空气筛选、去除或分离某些物质的方法,此处仅指选择——译者注)所左右。而生物学家们想要弄明白的是:变化的究竟是什么?他们用果蝇做实验,发现只有极少一部分基因——其中最著名者莫过于同源基因(homeotic genes,或简写为Hox基因)——能调控果蝇的身体形态。更令人惊奇的是,从线虫到人类,所有生物都拥有这种Hox基因,而大多数Hox基因都可以出几乎完全相同的氨基酸序列——同源蛋白质区段(homeodomain)。

对比图:正常的鸡胚(左)和发生突变、长出原始牙蕾的鸡胚(右)

对比图:正常的鸡胚(左)和发生突变、长出原始牙蕾的鸡胚(右)

这些调控基因——这些“发育的高级控制者”——可以制造某些特殊蛋白质。这些蛋白质会链接到基因组的不同位置,起到类似刹车闸的作用——它们负责调控其他基因(比如控制生长因子蛋白或实体结构元素的基因),使这些基因在发育的特定阶段和在身体的特定部位得以表达。形成昆虫的六足结构、鱼类的鳍和大象的鼻子所需的基本细胞结构是一样的;生物形态的千差万别不是由基因的不同而造成的,虽然基因修饰确实在演化过程中起到了特定作用。生物形态差异的真正原因是它们在发育过程中使用基因的方式不同。

因此,“鸡蛋生恐龙”这个看似天马行空的大胆设想,其实只是一个关于消除演化对于鸡的影响的命题。“我们已经进行了25年的发育生物学研究。这一切让霍纳设想的实验成为可能。”卡罗尔如是说。他现在身份是美国威斯康星-麦迪逊大学的分子生物学家。火鸡的每一个细胞都藏着一份能够打造出霸王龙的蓝图,但是阅读这份蓝图的方式已随着物种演化而改变。

霍纳要做的第一件事就是弄清楚怎么控制那些调控基因。他已经用了数十年时间研究恐龙胚胎化石,追踪在发育过程中它们头颅的结构和细胞发生的细微变化。现在,他关注的是生物学家关于导致物种形态不同的基因调控的发现。霍纳浏览科学论文的方式和他过去搜寻化石的方式如出一辙:他扫略洪荒,只为求得有价值的只言片语。到如今,他掌握的资料已经足够让他对自己的设想充满信心。

霍纳本人身形魁梧——他身高达1米9,体重超过91公斤。在他位于落基山博物馆的杂乱的地下办公室里,霍纳只能勉强挤到办公桌前。他开着四个硕大的LED显示屏,翻拣一个帆布购物袋里的东西。在翻出五花八门的奖牌、家人相片和貌似三角龙角骨的东西之后,他终于找到了他想要的:一副重组好的鸡骨架。“鸡的骨骼结构与霸王龙的骨骼结构其实非常相似。”他说,“我们将来的重点在于研究二者之间的一些显著不同。”他指出了十块左右鸡继承自其远古祖先的尾椎骨,其中的一些融合并向上弯曲。双足站立的恐龙拥有长而粗大的尾巴。尾巴被举离地面,以此来平衡身体。因此,将鸡改造为恐龙的第一步就是让它长出一条这样的尾巴。

一个能看出发育中的鸟类尾部结构的鹤胚胎——虽然鸟类的尾巴已经随着生物进化而被以不同于其祖先的方式重新打造,但是总有一天控制这一过程的遗传机制可以被人为遏止。

第二步:手部。很多恐龙拥有两或三个手指,手指上生有尖锐的爪,用于攫取或撕扯。鸟类的每只翅膀尖端也有“手”,但是那三个手指非常小,且已经融合在一起。所以,这一步的关键在于“分离”它们。至于第三步要做的,则是将鸡那坚硬的角质喙换成恐龙那几排尖利的牙齿。霍纳说:“我们用鸡而非鸵鸟来做这个实验,有一个重要原因。”他讲起笑话从来都是一本正经,让人一不小心就会错过很内涵的笑点,“那就是我们的实验品必须个头足够小,跑了也不至于抓不住。”

当然,对于上述三步中的任何一个,他当时都不清楚究竟该如何操作。毕竟它们只是理论上可行而已。从理论到实际操作的重大突破发生于一个酒吧。霍纳不记得那个酒吧在哪里了——古生物学家往往四处游走——但他记得这个突破发生在2005年,在他与汉斯·拉尔森(Hans Larsson)的交谈过程中。拉尔森是一位年轻的加拿大古生物学家,他那时刚刚开始在加拿大麦吉尔大学授课。早年他还在芝加哥大学念研究生的时候,霍纳就与他结识了。拉尔森对恐龙是怎么在演化过程中失去尾巴这一点深感兴趣。“这是一些基因导致的。他一开口谈论寻找这些基因,我就说:‘如果你真能发现它们,我们也许就能逆转整个演化过程。’”拉尔森当时只有34岁,充满活力。如果说年纪较长而魁梧稳重的霍纳像三角龙,拉尔森就像灵活机敏的伶盗龙。霍纳的话让他吃了一惊,但是他并没有完全排斥这个想法。

拉尔森是一个相当不同寻常的古生物学家:他不但研究化石,还研究现代动物。他接受过古生物学和生物学的双重训练;他将时间一分为二:一半花在北极(或其它地区)的发掘现场,一半花在一间先进的发育生物学实验室。“我不满足于仅仅研究古生物学。”拉尔森说,“古生物学似乎只是外出采集,再将采集到的样本存入博物馆的展柜。你实际上不能拿其中任何一样来做实验。”这是迟早会浇到做灭绝动物研究的学生头上的一盆冷水:你不能将收集到的任何样本拿到实验室去做实验。但是根据基因保守(genetic conservation)原理——所有的现代生物都携带有非常相似的DNA——,拉尔森可以通过研究鸡、短吻鳄甚至是老鼠,来窥探恐龙的奥妙。

这项研究工作在2008年得以顺利实施,一部分应归功于霍纳——霍纳为拉尔森实验室提供的资助,支付了一名博士后一年的薪酬。该项目的第一个任务是,用数年时间开发一项极其精准的技术,用来追踪四个主要调控系统的活动。其中一个调控系统包括一种名为音蝟因子(Sonic hedgehog,SHH)的基因。它的作用是调控细胞的分裂增殖。另一个调控系统与翅膀的生长有关。第三个调控系统在四肢的发育过程中协助创造一条由头到脚的轴心。最后一个调控系统控制骨骼的构建。在这些活动中,有很大一部分可以通过使用pharmacological agents被人工控制——抑制甚或是完全遏止。或者,也可以选择直接注射多余其正常产生量的某种蛋白质,来增强它的效果。拉尔森说:“我们的计划是,先从这些调控基因表达的‘工具’入手,整理好“工具箱”,再在胚胎的不同部位进行操作。”

同霍纳一样,拉尔森目前也着眼于尾巴和翅膀。但他和霍纳的不同之处在于,他所追求的是获得关于恐龙是如何演化为鸟类的知识,而不是倒转演化之钟——这个疯狂的想法只属于霍纳。

绘图:乌利塞斯·法利纳斯(Ulises Farinas)

绘图:乌利塞斯·法利纳斯(Ulises Farinas)

 

让我们回到2002年,当时马修·哈里斯(Matthew Harris)还在做解剖鸡胚的研究。当时身为美国威斯康星大学发育生物学研究生的哈里斯试图弄清羽毛是如何演化出来的。遵循发育生物学领域的常例,他转向发生变异的动物寻求线索:如果能够研究出是哪里出了错,一般就能反过来推理出正确的过程。他的着眼点是talpid2突变基因。拥有这种奇特变异的鸡生有怪异的前肢和脚,其中每只脚的脚趾数量可能多达10个——脚趾是如此之多,以至于已经发育成熟的小鸡因为不能控制它的身体而无法破壳而出。除了这些显而易见的变异之外。哈里斯还希望找到与皮肤、鳞片和羽毛有关的变异。

哈里森拿来解剖的胚胎由他的博士导师约翰·法伦多(John Fallon)提供,是他多年前采集的几个旧样本之一。这个胚胎恰恰处在孵化欲出的边缘。它被保存在厚厚的甘油里,几乎变得完全透明。“我把它从罐子里取出来仔细端详。我看到它的‘角质鞘’(rhamphotheca)——喙表面薄层结构——有一点剥离。”拉尔森回忆道,“我把它的角质鞘揭开,然后愣住了——我看到它向我露出了胜利女神式的微笑。”在过去数年中,已经有数十位科学家反复研究过拥有talpid2突变基因的鸡胚,但是只有哈里森发现了这个秘密:在坚硬的角质鞘下隐藏着一排沿着喙内沿整齐排列的、尖利的锥形重复结构。——这只鸟长了一嘴类似牙蕾(牙牙蕾如果发育长大,会形成我们通常意义上所说的牙齿——译者注)的东西。

在那之后不久,哈里森和他的同事们就发现,可以通过刺激鸡胚中一种名为beta-catenin的蛋白质的合成,让非变异体的正常鸡的上下喙分别长出排列整齐、呈圆锥形、像鳄鱼牙一样的牙蕾。“鸡有长出牙状结构的潜质,”哈里森说,“它们只需要获得正确的指令就能开始长牙。”

这个发现,在现为哈佛医学院教授的哈里斯眼里,只是发育生物学领域的一个有趣的个例;但在霍纳的眼里,却是通向他打造恐龙之路的另一个阶梯。因为,刺激beta-catenin蛋白质的合成会导致牙蕾变异这一发现,使产生鸡龙牙齿这一步变得容易了许多。但对霍纳来说不巧的是,哈里森并不这么认为。“我敬重霍纳和他的研究工作。”哈里森说,“但我始终觉得他的理念有点脱离事实。”

哈里森说,那些鸡的牙齿就是凭证。它们足以用来证明演化保存了制造牙齿的基本发育机制。但是它们还只是牙的胚胎形态,它们的组分和结构还不足以让它们成为能够撕扯生肉和咬碎骨头的真正的牙齿。“在演化中保留下来的基因让我们可以重造很多已经消失了的东西。”哈里森说,“但是我们总是缺少一些关键要素,比如生成牙齿所必须的珐琅质和牙质。——在鸡的基因组里,你根本找不到制造珐琅质的基因。”

演化发生学家卡罗尔对霍纳的想法表达了和哈里森同样的质疑。他曾在昆虫身上进行了很多身体替换实验,来控制发育的顺序和架构。结果呢?这么说吧,结果并不乐观。“生物体可不像土豆先生的脑袋;你可以给土豆先生安上尾巴和手臂,然后,哇,恐龙就诞生了。”卡罗尔说,“对于生物体来说,新增加的尾巴必须和身体的其余部分相互协调,几乎必然会产生很多相互连接、彼此合作的问题。又或者,很可能因为增加了尾巴的缘故,身体的其余部分不能正常发育。”他并非轻视重造恐龙的想法。他甚至相信,只要霍纳拥有足够的资金和时间,他就很可能会做出一些成绩。但是,“就算你能成功将一只长了牙的鸡养大,那也不过是一只长了牙的福亨·来亨(Foghorn Leghorn,在华纳兄弟在1948年拍摄的同名电影和其他多部电影中都有亮相,是一只成年大公鸡——译者注)而已。”卡罗尔说,“何况那几颗牙还中看不中用。”

霍纳对于恐龙重造的执着诉求也反映了他作为一个古生物学家与他的同行共有的瓶颈。从地下挖掘出的恐龙骨殖确实包含了大量关于这些史前生物的信息,但是他逐渐开始认识到,科学家已经无法通过这种方法来获得新的知识。“照现在这样,我们能得到一小截一小截的DNA,我们能知道它们的颜色,如此而已。”霍纳说,“化石记录所能提供的信息毕竟是相当有限的。”

霍纳将毕生精力用于动摇古生物学界的陈旧理念,推动变革。现在他的想法又在生物学界一石掀起千层浪,这让他看上去非常高兴。“古生物学是百足之虫死而不僵。”前微软首席技术官内森·梅尔沃德如是说。他现在广泛涉猎于不同领域,与霍纳亦多有合作。他说:“古生物学界所采用的方法在这100多年里几乎一点没变。”虽然当今的研究者确实比一个世纪前的古生物学家拥有更多关于恐龙和其它已灭绝生物的知识——梅尔沃德本人就曾经与人合作过多篇学术论文,为这一知识大厦添砖加瓦——,但古生物学已入瓶颈,确是事实。他视霍纳的研究工作为春雷地一声,将分子生物学和发育生物学的研究方式和观点首次真正地引入古生物学领域。“一般来说,古生物学家只是在外四处周游,寻找化石。”梅尔沃德说,“但其实有一个比蒙大拿州的荒野更好的研究古代生物的地方,那就是它们现存亲戚的基因组。”

但是,如果霍纳最后成功了,我们会见到真正的恐龙在圣迭亚哥郊区游荡、为害一方吗?“很多人说:‘你当初给侏罗纪公园当过顾问的。你应该知道这样做的可怕后果。’”霍纳笑起来,继续说,“但和斯蒂芬·伯格电影里的故事完全不同的是,动物并不想向我们复仇。事实上,我们甚至可以让恐龙们在野外自由生存,而它们对于人类的威胁并不会比灰熊和美洲狮对于我们的威胁更大。”但是对于并不曾像霍纳一样花费大量时间在荒野寻找恐龙遗迹、对恐龙知之甚少的人来说,这句话并不能让他们稍感安慰。但是,就目前来说,霍纳还没打算让他的实验品真的孵化出来(请再给他几年时间和一些经费吧)。又因为他想做的只是调整发育过程而非修改DNA,所以他制造出来的鸡龙的后代还是鸡。那么,还有什么可担心的呢?

有一个与霍纳所想类似的实验设想。它如果能够实行,也许可以给我们带来一些启迪。2008年,宾夕法尼亚州立大学的研究人员宣布,他们已经根据1万年前灭绝的猛犸象的毛发样本,测出了猛犸象的大部分基因组序列。消息传出,哈佛大学的遗传学家乔治·切奇(George Church)立即回应道,如果给他提供1千万美元的资助,他就能重造猛犸。他会首先取得现代大象的表皮细胞——现代大象和猛犸的亲缘性甚至比人类和黑猩猩的亲缘性更近——,然后对细胞内的现代大象基因组进行改造,让它更接近猛犸的基因组。之后,将这个细胞培养成胚胎,再将其植入大象的子宫。之后一切都会水到渠成。

如果切奇真能这么干——虽然没有任何证据显示这一点——,这个项目将会比霍纳的重造恐龙计划更具优势。一方面因为DNA可以保存约10万年,所以研究人员能够掌握几乎完整无损的猛犸的遗传材料,这就避免了“侏罗纪公园”所用方法的DNA分解问题。另一方面,从遗传学的角度看,现代大象和猛犸其实相差无几,但是鸡和伶盗龙却千差万别。而最重要的一点是,在10年之前还不存在能够进行这类操作的技术;但是到了今天,在一个细胞内对基因组进行数千次修改都是可能的。类似于手工作坊(在几十年间迅速)转变为工业革命早期的机械纺织机,基因组学(Genomics,又称基因体学,出现于上世纪80年代,是一门研究生物基因组和如何利用基因的年轻科学——译者注)已经取得长足发展。当然,要想实现他的“逆向演化”之梦,霍纳还需要推动科技更进一步发展。但是,他的大方向应该是正确的。

他回到自己的办公室,从桌子上拿起一本大部头的发育生物学基础教科书。“这类书都是关于果蝇的。” 霍纳挑了挑眉毛,继续说,“果蝇是一种很棒的生物。它们在科学研究领域作用甚大。我们可以通过研究果蝇,学到很多新的知识。但是呢……”他把那本书扔到椅子上。然后他站起身来,穿过一条长长的走廊走进他那拥塞不堪的收藏室,走到他那个陈列着你所能想到的所有鸟类头骨的柜子前。在那里,你可以看到巨嘴鸟的巨大橙色长喙,鹦鹉的勾形喙,琵鹭的扁形喙……他接上之前的话:“除了果蝇之外,鸟类也很奇妙。”

发育生物学家说,他们研究的调控系统是一个“生物工具箱”,它包含的工具是一系列的机制和过程。演化用这些工具来创造新的、奇妙的生物体。“他们是发现了工具箱。”霍纳说,“但是如果我们不用工具箱来造点什么,它又有什么用呢?”

 

Thomas Hayden ( www.lastwordonnothing.com ) teaches science and environmental writing at Stanford University.

原文作者托马斯·海登(www.lastwordonnothing.com )在斯坦福大学教授科学和环境写作。

 

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