规定基因流

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点

当生态系统生病时，谁来开处方？这不像医学那样简单直接。医生诊断问题并开出一些药物或治疗方法来缓解疼痛或杀死传染性病原体。有时我们会与保险代理人就治疗的必要性进行争论。当然，这是简化的说法。

在应用生态学中，为保护问题开出处方并不那么简单。并非所有“医生”都认为存在问题。即使达成共识，也不清楚应该应用什么治疗方法。但几乎所有<0xC2><0xA0>从业者<0xC2><0xA0>都同意，虽然没有解决保护问题的灵丹妙药，但有一些治疗方法可以减轻一些“痛苦”。

科学家如何得出诊断并不总是直接明了的。每位研究人员都有自己喜欢的栖息地、喜欢的物种或喜欢的工作地点。并非所有人都考虑整个生态系统，有时甚至不考虑整个物种的分布范围。这通常有充分的理由，并非出于懒惰或无知。我们只是不能采样所有东西，否则一切都会被破坏！此外，许多动物都在奔跑且难以追踪，而许多植物则隐藏在<0xC2><0xA0>风景<0xC2><0xA0>之中。<0xC2><0xA0>全知<0xC2><0xA0>，由于显而易见的原因，在研究中是缺乏的。

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追踪迁徙者

为了理解保护需要什么，我们需要首先掌握一个物种的个体之间是如何相互作用的。研究人员使用一种称为种群遗传学的强大方法来了解植物和动物的迁徙如何连接物种分布范围内的各个种群。物种被细分为称为种群的离散单元。种群的定义正是保护研究中试图定义的。它并不像人们想象的那么容易！

例如，您将如何定义人类种群？存在社会因素、国界、广泛延伸到国界之外的民族群体等等。人类群体或家庭会四处走动，并在国外和跨越<0xC2><0xA0>社会、经济和国际边界之间通婚和混合。我的配偶从瑞典移民过来，此后我们一直在北美大陆各地迁徙。我们的后代虽然出生在宾夕法尼亚州，但将在一段时间内与我们一起迁徙，使他们脱离其出生种群。因此，我们的迁徙生态非常复杂，这就是为什么人类种群遗传学家必须经常深入研究我们的基因组，以找到有用的标记来追踪我们过去的迁徙。

大多数植物和动物的行为都更好，并将自己限制在它们的小生境明确定义的舒适栖息地中。而且，虽然最近的迁徙模式难以理解，但研究人员可以使用各种遗传工具很好地掌握过去的种群行为。分析保守基因序列的片段可以让我们更深入地了解种群在历史上的联系方式，以及种群的更保守定义。此外，其他短片段包含重复 DNA 模式，这些模式更容易发生复制错误，并且立即在后代中遗传。这些称为微卫星的标记，帮助我们追踪最近的迁徙并描述种群内较小规模的结构。

追踪种群水平正在发生的事情对于许多进化生物学家来说至关重要。进化开始的一种方式是种群之间的细分，迁徙停止。当它们分开移动时，它们仅在细分内交换基因。虽然近亲繁殖通常带有不好的含义，但它本身并不是一件坏事，并不意味着近亲必然会互相交配。可以使用遗传标记推断近亲繁殖的程度，并真正向我们展示物种在进化轨迹上的位置。

[caption id="attachment_89" align="alignright" width="271" caption="隔离中的蜗牛（点击查看来源）。"][/caption]

想象一下，突然出现了一个障碍，也许是一片碎裂的冰上的蜗牛。障碍是它们无法跨越的水。<0xC2><0xA0>这些蜗牛无法再相互接触，它们的种群现在被细分了。每块冰山现在都是一个亚种群，那些存在的蜗牛可能会彼此交配。微卫星是可遗传的，因此亚种群中存在的所有微卫星组合将是唯一存在的组合。新的微卫星只能通过 DNA 突变产生，这是一个随机过程。由于任何特定的新型微卫星都可能在任意数量的种群中独立产生，因此研究人员使用一系列独立的遗传标记来获得足够的统计能力来检测这些趋同事件。

然而，随着时间的推移，新的微卫星最终会出现，正是种群和亚种群之间共享的和独特的基因型（独特的遗传特征）的总体模式揭示了物种的迁徙和历史。由于研究人员可以使用一系列遗传标记排除趋同进化，我们知道在两个或多个种群之间共享的特征必然是迁徙的结果。来自一个岛屿的蜗牛一定在其生命史中找到了一种方法到达另一个岛屿，交配并将其基因整合到当地蜗牛中。

迁徙发生在何处？

对生物体的一种看法是，它们仅仅是它们携带的基因的代理或载体。我认为这种观点是正确的，因为我们使用这些微小的 DNA 片段来研究它们的迁徙和历史。但生物体本身是一个整体：行为、基因、生活史怪癖、交配策略，等等。研究遗传学，人们可能会迷失在四个字母至高无上的世界中，分支和节点是奇怪分析王国中的通用语言。尽管如此，测量种群之间的基因流动仍然是生态学中一种强大的推断工具。

就像天定命运的模型一样，个体倾向于远离中心种群并殖民边缘，缓慢地扩大帝国的范围。<0xC2><0xA0>新的遗传特征更可能在边缘被检测到，因为中心种群更大，并且彼此之间更自由地交配，倾向于偏爱最常见或最有利的基因型。<0xC2><0xA0>虽然将基因视为在种群之间流动，从源头到边缘潮起潮落是很诗意的，但有各种各样的因素以往往不可预测的方式影响基因流动。有些是环境因素，超出物种的控制范围，但许多是特定的生物学适应、生活史特征或行为线索。由于物种差异如此之大，因此必须谨慎地对待每个物种，从而形成一个非常细致入微的保护生物学领域。进化的美丽真的给那些为之着迷的人带来了意外的惊喜！

[caption id="" align="alignleft" width="240" caption="加利福尼亚州美丽的内华达山脉斜坡上无处不在的猴面花。照片 CC 由 Flickr 用户 Juniorvelo 提供（点击查看来源）。"][/caption]

Sexton 及其同事最近发表的一篇论文讨论了基因流动可能有多么细致入微。结果是优雅的，但对于如何在其分布范围内管理物种具有深远的影响。不起眼的且<0xC2><0xA0>普遍存在的<0xC2><0xA0>猴面花，Mimulus laciniatus，生活在加利福尼亚州标志性的内华达山脉的山麓。它存在于沿生态梯度分布的各种微生境中，在这些微生境中，不同的性状根据气候条件而优越。Sexton 研究了中心种群、较高海拔种群和范围边缘种群（较低海拔导致更温暖、更干燥的微生境，作者称之为温暖边缘）的几种适应性状（例如，出苗、物候学 - 植物所处的生长状态和果实质量）。他们还推断了这些适应性状如何受到基因流动的影响，无论是从中心到边缘还是在边缘种群之间。

他们发现基因流动增加了生殖成功率，这并不令人惊讶，但它在气候相似的种群之间最为明显。总的来说，生活在温暖边缘的种群在更温暖、更干燥的微生境中具有最高的适应性。中心种群枢纽播种边缘种群的模型实际上在猴面花中是不适应的。这与植物出苗时间和物候阶段的重要生物学特征有关。中心种群位于较高海拔，由于冰层存在时间较长，因此在季节后期出苗。从中心种群移植到边缘种群的后代通常适应性较低。

规定基因流？

“栖息在新型环境中的种群，例如在分布范围限制处的种群，应被集体考虑，因为它们<0xC2><0xA0>有可能产生新型的、适应性强的基因组合。在<0xC2><0xA0>促进物种追踪快速变化的气候的竞赛中，<0xC2><0xA0>范围限制种群之间的规定性基因流动可能代表<0xC2><0xA0>一种基因拯救形式，它可以提高<0xC2><0xA0>范围限制种群应对快速<0xC2><0xA0>变化的自然选择机制的进化<0xC2><0xA0>能力。” - Sexton 等人 2011 年

虽然对于“基因拯救”的有效性存在强烈意见，但这项研究确实突出了表型与环境匹配的重要性。我们不能通过假装局部适应不存在来管理物种。Sexton 的研究很好地表明了拥有适合环境的表型是多么有益。如果管理者想要优化新种群的建立和持久性，那么鼓励气候条件相似的种群之间的基因流动通道非常重要。

当我们采取措施缓解气候变化时，我们最好牢记这一教训。在治疗物种保护问题时，仅仅“服用两次，早上给我打电话”是不够的。那些规定性的迁徙者必须来自正确的“品牌”才能最有效。“通用”处方可能并不总是那么有效，否则我们可能会造成更大的危害，将物种送入走向灭绝的螺旋式下降。

参考文献

Behere, G., Tay, W., Russell, D., Heckel, D., Appleton, B., Kranthi, K., & Batterham, P. (2007). Mitochondrial DNA analysis of field populations of Helicoverpa armigera (Lepidoptera: Noctuidae) and of its relationship to H. zea BMC Evolutionary Biology, 7 (1) DOI: 10.1186/1471-2148-7-117

Sexton JP, Strauss SY, & Rice KJ (2011). Gene flow increases fitness at the warm edge of a species' range. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108 (28), 11704-9 PMID: 21709253