以下文章经 The Conversation 许可转载，The Conversation 是一家报道最新研究的在线出版物。
许多动物都具有帮助它们适应特定环境或生活方式的适应性。南极鱼产生防冻蛋白，防止它们的血液在零度以下温度中冻结。一些沙漠啮齿动物无需饮用一滴水即可生存。居住在高海拔地区的人类具有特殊的适应性来应对低氧浓度。
这些特殊的适应性被编码在基因组中，并代代相传。这些信息也可以帮助科学家预测未来：解读动物的基因可能有助于我们预测生物体是否以及如何适应环境的快速变化，例如气候变化带来的变化。从动物DNA层面理解气候脆弱性可以揭示哪些种群和物种更易受到威胁，从而使我们能够将保护工作与高危物种和预期的气候情景相匹配。
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我与一群生物学家合作，他们隶属于 “鸟类基因组景观项目” ，并关注气候变化的影响。我们决定使用黄莺来研究这个问题。这些候鸟在夏季遍布加拿大和美国大部分地区，栖息地范围从炎热干燥的加利福尼亚中央山谷到凉爽潮湿的太平洋西北地区。如果您居住在北美，附近可能就有黄莺。
解读黄莺的DNA
像这样的基因组研究是一场大数据游戏。首先，我们需要来自整个大陆的大量样本。幸运的是，我们得到了很多帮助。鸟类监测站为我们收集了黄莺的血液样本，博物馆向我们发送了样本，其他科学家也从他们冰柜中过去的研究所挖掘出了DNA。总而言之，我们收集了大量活鸟的血液和羽毛样本，以及博物馆鸟类的组织样本。
一旦我们获得了所有这些样本的DNA——大约250只来自美国和加拿大各地20多个地点的鸟类——我们就对每只黄莺的基因组进行了测序。这产生了大约3500亿个DNA碱基对——构成遗传密码的DNA化学单位。使用计算机算法，我们比较了这250个基因组，并研究了来自不同气候区域的鸟类基因组的哪些部分存在差异。
我们实际上并不知道基因组的哪些部分（如果有的话）会显示出气候适应的迹象——所以我们没有选择检查任何特定的基因。相反，我们查看了基因组的许多随机区域，总共超过10万个。我们将每个基因组区域的变异与鸟类采样地点的温度、降水和植被测量等不同的环境参数进行了比较。
我们发现，在这些环境变数中，降水与遗传变异的相关性最强。当我们检查黄莺基因组的这些区域的所有样本时，我们发现，与生活在干旱地区的鸟类中的相同基因相比，来自多雨地区的鸟类中的某些基因看起来有所不同。
换句话说，来自该国最干燥地区的黄莺的相同基因与来自非常潮湿地区的鸟类相比，DNA序列略有不同。这表明存在与环境相匹配的理想基因变异——这些鸟类已经适应了当地的气候。
但是，如果鸟类已经适应了当前的气候，那么随着气候变化，未来几年会发生什么？
预计未来一个世纪，美国许多地区将变得更加温暖和干燥。因为我们现在了解了哪些基因变异最适合每种气候，所以我们可以计算出未来50年黄莺种群的基因组序列需要发生多大变化，才能与适应未来条件的黄莺的基因图谱相匹配。例如，我们可以根据现在居住在该国较温暖地区的黄莺的基因组图谱来估计鸟类未来需要多大程度地适应更温暖的温度。
我们使用了一种算法，该算法将来自所有10万个基因组区域的数据与公开可用的25个不同气候变量的数据相结合，包括当前和预测的未来气候。当数据被处理后，我们估算了一个分数，该分数反映了一个种群的DNA需要发生多大变化才能适应未来的气候变化。我们将此称为不同黄莺种群的“基因组脆弱性”。
种群可能已经受到气候变化的威胁
一些地区，如落基山脉，显示出非常高的基因组脆弱性水平，这表明这些地区的黄莺需要基因组发生许多变化才能跟上气候变化。与此同时，来自其他地区（如中西部地区）的黄莺的基因组脆弱性较低——这些鸟类的风险较小。整个区域基因组脆弱性的差异是由于预测的气候变化模式的差异造成的；一些地区预计会变得更热更干燥，而另一些地区实际上可能会变得更湿更凉爽。
当我们将基因组脆弱性与过去50年黄莺种群的变化进行比较时，我们最令人震惊的发现出现了。在加利福尼亚州和落基山脉部分地区等基因组脆弱性最高的地区，黄莺种群已经下降。这可能意味着气候变化已经影响了这些种群，而且这些影响在未来一个世纪可能会变得更加严重。
尽管我们发现了栖息在不同气候地区的鸟类之间的遗传差异，但我们仍然不清楚这些遗传差异意味着什么。也许来自较干燥地区的鸟类已经适应利用与生活在较潮湿地区的鸟类不同的食物来源。也许鸟类会调整它们的迁徙时间以匹配不同地区不同类型的植被。只有后续研究才能告诉我们鸟类是如何适应不同气候的。
黄莺显然不是唯一受气候变化影响的物种。通过“鸟类基因组景观项目”，我们正在努力绘制许多北美鸟类的基因组脆弱性地图。我们也希望这个框架也能用于其他类型的野生动物，而不仅仅是鸟类。
本文最初发表于 The Conversation。阅读原文。