“沙漠之舟”的基因秘密

野骆驼是世界上惟一能靠喝盐水生存的动物。它能在极其严酷的环境中生存下来，本身就是一个奇迹。来自中国的科学家正在揭开奇迹背后的遗传秘密。

2012年11月14日凌晨，8岁的“那仁”登上Nature杂志官方网站的首页头条新闻。

这峰来自蒙古国阿尔泰省自然保护区的雄性野骆驼，成为世界上首个向全球展示双峰驼全基因组序列图谱的野生骆驼。

与“那仁”同时亮相的还有一峰来自中国内蒙古自治区阿拉善盟6岁的家养雄性双峰骆驼，它们共同为“双峰驼基因组测序与分析课题组”（以下简称“双峰驼课题组”）提供了珍贵的实验样本，帮助中国的科学家们完成了世界首例双峰驼全基因组序列图谱绘制和破译工作。

这项最新的研究成果在Nature子刊《Nature Communications》上在线发表，同时国际知名生物数据库GenBank将骆驼基因组数据向全球首次公开释放。正如Nature网站对项目成果评价时称，“来自中国的科学家们正在解开保证骆驼在严酷环境下生存的基因魔方。”

惊人的生存能力

在古老的丝绸之路上，双峰骆驼曾是中西贸易文化交流的使者。

它们生存在环境最恶劣的沙漠和半沙漠地区，每餐食用大量食盐，并摄取大量脂肪，血糖水平比其它反刍动物高出两倍有余；然而，它们却不仅没有患上糖尿病或者高血压等代谢疾病，反而可以在缺水乏食、昼夜温差极大的沙漠中生存下来，成为“沙漠之舟”。研究者一直试图了解，双峰驼为何可以适应如此极端的生存环境？

已有的研究表明，由于骆驼生活在干旱的荒漠地区，经过长期的自然选择，具有许多其它动物所不具备的生理特性。如骆驼具有极强的耐渴和耐高温能力、对植被具有超强的适应力以及特殊的免疫系统。

内蒙古农业大学教授、国际双峰驼学会理事长吉日木图对此阐述：“骆驼不同于哺乳动物的最大特点之一是不惧怕身体脱水，而哺乳动物中任何一种动物都会因脱水而死亡。骆驼拥有这一特点是由于在漫长的进化过程中‘学会’了在血管中储存水，同时又能将脂肪储藏在驼峰中，以避免饥饿和死亡的威胁。”

之前有研究表明，骆驼可以把大量的水储存在红细胞中，可使其在很长时间内忍受沙漠干旱的环境。骆驼的红细胞不仅数量多，而且形状是椭圆形，与其他哺乳动物双凹面圆形明显不同。

野生骆驼的生存能力更是惊人，跟踪拍摄野骆驼6年的项目组成员图门巴雅尔向记者描述了这样的场景：

“野骆驼奔跑起来时速可达80公里，在遇到危险时，能连续奔跑两三天。它们机警而胆怯，视觉、听觉、嗅觉相当灵敏，顺风时可以嗅到数公里甚至几十公里外的气味，判断出很远地方的水源。它们可以在遇到沙暴之前，随时关闭鼻孔而不影响呼吸，来不及躲避就会平躺在地上避风。它们还会在风暴过后，用泪水冲洗沙尘以保护眼睛……”

长期从事野骆驼研究并创办了“野骆驼保护基金会”的英国学者约翰·海尔说：“它是世界上惟一能靠喝盐水生存的动物，作为一个古老的物种，野骆驼在如此严酷的环境下生存下来，本身就是一个奇迹。”

如今，野生双峰骆驼是世界上仅存的骆驼属野生种。

吉日木图告诉记者，“由于人类活动干扰和自然环境不断恶化，野骆驼数量急剧减少，目前仅存880峰左右，比大熊猫要少得多。”

来自双峰驼课题组的最新调查数据显示，双峰野骆驼是唯一幸存的古老骆驼品种，现在主要分布在中国西北部、蒙古西南部和阿拉泰戈壁外围等地方。

近年来，世界自然保护联盟（IUCN）已将野生双峰驼作为濒危物种列入红皮书，同时国际贸易公约（CITES）将其列为Ⅰ级濒危物种，我国也把野骆驼列为国家一级保护动物。尽管如此，野生双峰驼仍然面临着濒于灭绝的危险境地。

双峰驼课题组负责人、上海交通大学教授孟和说：“尽管我们观察到了双峰骆驼的优良特性，但对其形成及作用机理了解甚少，许多问题都悬而未决。如果不加强骆驼基础研究，从根本上解析这一物种独特的生存机制，不开发骆驼独特的生物价值，骆驼将很快从地球上消失。”

神秘的进化路径

与双峰驼神奇惊人的生存能力相比，这个物种的进化路径更加神秘难测。

古生物学家对地质化石的研究证实，骆驼起源于北美洲的“原柔蹄类”，见于距今5500万年的新生代始新世时期。

从喜马拉雅山、西伯利亚、巴西及美国等地发现的化石来考证，骆驼的祖先——原驼曾在距今约100万年的第四世纪冰期由北美发源地分成两路，大群迁徙。

其中一路跨过白令海峡，到达中亚和蒙古高原较寒冷的干旱地区，进化成为双峰驼；另外一路跨过大陆干旱中心进入东欧，有的穿越中东，横过北非，向西迁徙，有的到达小亚细亚与非洲比较炎热的荒漠地带及印度北部干旱平原等地，都演变成单峰驼。

野生双峰驼的同族兄弟是野生单峰驼，早已在数百年前灭绝，因此野生双峰驼成为目前世界上仅存的野生骆驼。

野骆驼原始种一直存在于中国和蒙古国的沙漠戈壁中，并不断被人们发现。但在一百多年以前，全世界都认为野骆驼基本灭绝了，至少在野骆驼曾经的主要栖息地非洲和美洲是这样的。亚洲，尤其是中亚曾是野骆驼繁衍生息的家园，这里成为野骆驼物种没有灭亡的唯一希望所在。

19世纪中叶，从中国新疆传出一个消息：有探险者在新疆荒漠中看到了野生双峰驼，这个传闻震动了全世界，激起了动物学家和探险家们的浓厚兴趣。

据俄国人谢苗尔盖所著的《新疆探察史》中记载，1883年，俄国探险队员普尔热瓦尔斯基在新疆罗布泊捕猎并制作了四具野骆驼标本，探险队在罗布泊荒漠不止一次遇到野骆驼群。这是传说野骆驼在世界范围灭绝后的新发现，也是近代史记载中最早的一次发现野骆驼，后来被命名为“野生双峰驼西部亚种”。

1892年，瑞典探险家斯文·赫定在新疆塔克拉玛干大沙漠中发现了双峰驼的野生祖先，当时这一发现轰动了欧洲。

1901年，斯文·赫定来到罗布泊探险考察，也发现有成群结队的野骆驼出没。他在考察日记中写道：“一位罗布泊老猎人自称跟踪过驼队，他说，这里野骆驼一群一伙的，有时离人不远，但很警觉，你要靠近，它就飞快地奔跑起来。”

一百余年后，类似的场景被双峰驼课题组成员图门巴雅尔同样写入日记：“我慢慢地靠近野生驼群，群中一峰发情的、大的雄骆驼正在驱赶另一峰小的雄骆驼，小骆驼突然发现了我，它稍微迟愣了一下后，猛地向我飞奔过来，我赶忙躲在一棵胡杨树后，它在距离我十米左右停了下来，大约十秒钟后，它开始追赶我，试图用嘴咬我或者把我掀翻在地，我拼命地绕着胡杨树跑，几分钟后，大骆驼追赶过来，两峰骆驼先后向远方奔去，我两腿发软，坐在地上站不起来。”

这是图门巴雅尔2009年在蒙古国阿尔泰省自然保护区跟踪拍摄野骆驼时，记录下的一个场景。

在该保护区工作了20年的蒙古国戈壁自然保护区主任米吉德道尔吉博士透露，据2010年统计，这个成立于1975年的野骆驼自然保护区内，现有野生骆驼450-500峰。

如今，中国新疆境内的野骆驼越来越少，很少有人能再看到它们。有专家研究指出，这主要是生态恶化和人类活动的影响所致。如罗布泊的逐渐干涸使野生骆驼饮用水源和食草大为减少，加上人类的捕猎，野骆驼的生存空间越来越小。

据专家介绍，20世纪80年代全球有2500-3000峰野骆驼，目前仅存不足1000峰。1995年，国际性野骆驼考察队先后到达中蒙边境、塔克拉玛干沙漠和阿尔金山，并六次进入罗布泊荒漠无人区，累计行程3万余公里，终于找到了野骆驼。他们先后看到52个群落238峰野骆驼。

根据考古动物学记载，双峰驼大约在公元前三世纪时已完全被驯化，并且之后迁移到中亚大部分地区。但是，目前科学界对家骆驼的起源及其迁移历史仍不清楚。

双峰驼基因组计划

当遗传学家们面对神秘高贵的野生骆驼时，最想要的是什么？

上海交通大学孟和教授与内蒙古农业大学吉日木图教授，以及来自国内32个科研单位、70多位研究者的共同答案是，双峰骆驼全基因组图谱。

2010年1月，绘制双峰驼基因组图谱的计划，在内蒙古锡林郭勒盟“驼产业与驼文化发展国际研讨会”上诞生。上海交通大学孟和教授在这次会议中正式提出了启动“双峰驼基因组计划”。随后，该计划得到了内蒙古农业大学教授吉日木图和阿拉泰双峰驼研究院院长陈钢粮的积极响应。

经过两年的艰苦努力，2012年11月14日，由中国科学家绘制的全球首张解开骆驼基因组奥秘的基因图谱正式向全世界公布。这一成果在骆驼学界内产生的震动，不逊于一百多年前欧洲人在罗布泊发现野骆驼。

双峰驼课题组同时对一峰8岁的野生雄性双峰驼及一峰6岁的阿拉善双峰驼进行全基因组序列测定和系统分析。基因图谱分析显示，双峰驼全基因组大小为2.38Gb，共编码20821基因，其中发现了4756个双峰驼独有基因。

系统发育分析显示，在已完成基因组测序的物种中，双峰驼与同属偶蹄目的牛的遗传关系最近，推测牛和双峰驼分化时间大约在5500万—6000万年前。这一结果同在北美首次发现骆驼科化石证据的时间（5000万年）基本吻合。

当遗传学家们首次探索新基因组时，他们最感兴趣的是“快速进化”的部分。这些活动热区通常包含着定义物种的基因，编码的特征将其与近亲区分开来。

双驼峰课题组主要成员之一、上海生物信息技术研究中心主任李亦学教授在接受Nature杂志记者采访时说：“我们发现骆驼中许多与代谢相关的基因发生了快速进化。”

进一步分析发现，骆驼中有2730个基因呈现加速进化，这些加速进化基因主要富集在碳水化合物代谢、脂类代谢和调节代谢过程的信号传导通路，例如胰岛素和脂肪细胞因子信号传导通路。“这些与代谢有关通路的加速进化可能有助于骆驼在沙漠环境中的生存。”李亦学教授说。

“它们在新陈代谢上有着如此显著的差异，这令我感到非常惊讶。”贝勒医学院分子遗传学家Kim Worley说，这些差异可能指明了双峰骆驼在沙漠中生成和储存能量的机制。特别是胰岛素通路相关基因的适应性进化，可以解释骆驼高胰岛素抗性及在高血压状态下没有产生糖尿病并发症的原因。

野双峰驼与家双峰驼之间的进化关系，曾经有两种观点，一部分人认为野生双峰驼是世界上骆驼科真驼属仅存的野生种，与家双峰驼完全不同；另一部分人认为，现存的野生双峰驼是由于家双峰驼管理不善，跑到野外而成了野骆驼。

而双峰驼课题组对于嗅觉基因的分析结果显示，许多嗅觉受体在家骆驼中的杂和率显著较低，表明驯养与嗅觉有很大关系。孟和教授还表示，该课题组之前对于双峰驼线粒体DNA基因组的研究已经证明，现在的双峰野骆驼不是家骆驼的直接祖先，家骆驼可能来自远古野生骆驼的一个分支，并推测野生双峰驼和家养双峰驼在进化上的分歧时间为700万年前。

研究还表明，骆驼能耐受高血糖的部分原因是基因发生变异，这些基因变异特征同人类的II型糖尿病很像。其中调节胰岛素信号途径的基因属于双峰驼部分快速进化基因的一类。对骆驼胰岛素应答的进一步研究有助于了解人类胰岛素调控和糖尿病机理。“我对骆驼高血糖耐受非常感兴趣。”澳大利亚昆士兰生命科学院计算生物学家Brian Dalrymple说。

研究者还发现基因组中的一些区域可以解释，相比人类，双峰骆驼能够耐受血液中高盐水平的原因。在人类，CYP2J基因控制高压升高：抑制它会导致高血压。然而，骆驼具有这一基因的多个拷贝，帮助将它们的血压维持在低水平，即便是当它们摄入大量盐时。

双峰驼课题组还发现，骆驼体内一个维持红细胞形状的蛋白质功能发生突变，这个突变可能使骆驼的红细胞快速膨胀，因此能携带更多的水分。这个特性使得骆驼在沙漠中不吃不喝仍能存活4-5天，并保持正常的生理功能。有趣的是这个特性与鸟类非常类似。至于骆驼的红细胞为什么和进化学中不相关的鸟类相似，还需要进一步的研究。

新研究标志着对骆驼基因组研究的起点。孟和教授表示，双峰驼全基因组图谱的成功绘制和破译，为了解骆驼特殊生活习性和生理特性，解释骆驼在极端环境下生存能力的分子机制提供了重要参考。与骆驼独特生理特性相关的基因功能分析将会是今后研究的重点。骆驼特殊的代谢特性可能会使其成为一种研究代谢综合征的新型模式生物。

2012年11月16日，双峰驼全基因组序列图谱绘制和解析成果发布会后，孟和教授的QQ签名更新为：“骆驼精神：在逆境中，依然淡定从容、昂首挺立、遥望远方。”