“沙漠之舟”的基因秘密

野駱駝是世界上惟一能靠喝鹽水生存的動物。它能在極其嚴酷的環境中生存下來，本身就是一個奇跡。來自中國的科學家正在揭開奇跡背后的遺傳秘密。

2012年11月14日凌晨，8歲的“那仁”登上Nature雜志官方網站的首頁頭條新聞。

這峰來自蒙古國阿爾泰省自然保護區的雄性野駱駝，成為世界上首個向全球展示雙峰駝全基因組序列圖譜的野生駱駝。

與“那仁”同時亮相的還有一峰來自中國內蒙古自治區阿拉善盟6歲的家養雄性雙峰駱駝，它們共同為“雙峰駝基因組測序與分析課題組”（以下簡稱“雙峰駝課題組”）提供了珍貴的實驗樣本，幫助中國的科學家們完成了世界首例雙峰駝全基因組序列圖譜繪制和破譯工作。

這項最新的研究成果在Nature子刊《Nature Communications》上在線發表，同時國際知名生物數據庫GenBank將駱駝基因組數據向全球首次公開釋放。正如Nature網站對項目成果評價時稱，“來自中國的科學家們正在解開保證駱駝在嚴酷環境下生存的基因魔方。”

驚人的生存能力

在古老的絲綢之路上，雙峰駱駝曾是中西貿易文化交流的使者。

它們生存在環境最惡劣的沙漠和半沙漠地區，每餐食用大量食鹽，并攝取大量脂肪，血糖水平比其它反芻動物高出兩倍有余；然而，它們卻不僅沒有患上糖尿病或者高血壓等代謝疾病，反而可以在缺水乏食、晝夜溫差極大的沙漠中生存下來，成為“沙漠之舟”。研究者一直試圖了解，雙峰駝為何可以適應如此極端的生存環境？

已有的研究表明，由于駱駝生活在干旱的荒漠地區，經過長期的自然選擇，具有許多其它動物所不具備的生理特性。如駱駝具有極強的耐渴和耐高溫能力、對植被具有超強的適應力以及特殊的免疫系統。

內蒙古農業大學教授、國際雙峰駝學會理事長吉日木圖對此闡述：“駱駝不同于哺乳動物的最大特點之一是不懼怕身體脫水，而哺乳動物中任何一種動物都會因脫水而死亡。駱駝擁有這一特點是由于在漫長的進化過程中‘學會’了在血管中儲存水，同時又能將脂肪儲藏在駝峰中，以避免饑餓和死亡的威脅。”

之前有研究表明，駱駝可以把大量的水儲存在紅細胞中，可使其在很長時間內忍受沙漠干旱的環境。駱駝的紅細胞不僅數量多，而且形狀是橢圓形，與其他哺乳動物雙凹面圓形明顯不同。

野生駱駝的生存能力更是驚人，跟蹤拍攝野駱駝6年的項目組成員圖門巴雅爾向記者描述了這樣的場景：

“野駱駝奔跑起來時速可達80公里，在遇到危險時，能連續奔跑兩三天。它們機警而膽怯，視覺、聽覺、嗅覺相當靈敏，順風時可以嗅到數公里甚至幾十公里外的氣味，判斷出很遠地方的水源。它們可以在遇到沙暴之前，隨時關閉鼻孔而不影響呼吸，來不及躲避就會平躺在地上避風。它們還會在風暴過后，用淚水沖洗沙塵以保護眼睛……”

長期從事野駱駝研究并創辦了“野駱駝保護基金會”的英國學者約翰·海爾說：“它是世界上惟一能靠喝鹽水生存的動物，作為一個古老的物種，野駱駝在如此嚴酷的環境下生存下來，本身就是一個奇跡。”

如今，野生雙峰駱駝是世界上僅存的駱駝屬野生種。

吉日木圖告訴記者，“由于人類活動干擾和自然環境不斷惡化，野駱駝數量急劇減少，目前僅存880峰左右，比大熊貓要少得多。”

來自雙峰駝課題組的最新調查數據顯示，雙峰野駱駝是唯一幸存的古老駱駝品種，現在主要分布在中國西北部、蒙古西南部和阿拉泰戈壁外圍等地方。

近年來，世界自然保護聯盟（IUCN）已將野生雙峰駝作為瀕危物種列入紅皮書，同時國際貿易公約（CITES）將其列為Ⅰ級瀕危物種，我國也把野駱駝列為國家一級保護動物。盡管如此，野生雙峰駝仍然面臨著瀕于滅絕的危險境地。

雙峰駝課題組負責人、上海交通大學教授孟和說：“盡管我們觀察到了雙峰駱駝的優良特性，但對其形成及作用機理了解甚少，許多問題都懸而未決。如果不加強駱駝基礎研究，從根本上解析這一物種獨特的生存機制，不開發駱駝獨特的生物價值，駱駝將很快從地球上消失。”

神秘的進化路徑

與雙峰駝神奇驚人的生存能力相比，這個物種的進化路徑更加神秘難測。

古生物學家對地質化石的研究證實，駱駝起源于北美洲的“原柔蹄類”，見于距今5500萬年的新生代始新世時期。

從喜馬拉雅山、西伯利亞、巴西及美國等地發現的化石來考證，駱駝的祖先——原駝曾在距今約100萬年的第四世紀冰期由北美發源地分成兩路，大群遷徙。

其中一路跨過白令海峽，到達中亞和蒙古高原較寒冷的干旱地區，進化成為雙峰駝；另外一路跨過大陸干旱中心進入東歐，有的穿越中東，橫過北非，向西遷徙，有的到達小亞細亞與非洲比較炎熱的荒漠地帶及印度北部干旱平原等地，都演變成單峰駝。

野生雙峰駝的同族兄弟是野生單峰駝，早已在數百年前滅絕，因此野生雙峰駝成為目前世界上僅存的野生駱駝。

野駱駝原始種一直存在于中國和蒙古國的沙漠戈壁中，并不斷被人們發現。但在一百多年以前，全世界都認為野駱駝基本滅絕了，至少在野駱駝曾經的主要棲息地非洲和美洲是這樣的。亞洲，尤其是中亞曾是野駱駝繁衍生息的家園，這里成為野駱駝物種沒有滅亡的唯一希望所在。

19世紀中葉，從中國新疆傳出一個消息：有探險者在新疆荒漠中看到了野生雙峰駝，這個傳聞震動了全世界，激起了動物學家和探險家們的濃厚興趣。

據俄國人謝苗爾蓋所著的《新疆探察史》中記載，1883年，俄國探險隊員普爾熱瓦爾斯基在新疆羅布泊捕獵并制作了四具野駱駝標本，探險隊在羅布泊荒漠不止一次遇到野駱駝群。這是傳說野駱駝在世界范圍滅絕后的新發現，也是近代史記載中最早的一次發現野駱駝，后來被命名為“野生雙峰駝西部亞種”。

1892年，瑞典探險家斯文·赫定在新疆塔克拉瑪干大沙漠中發現了雙峰駝的野生祖先，當時這一發現轟動了歐洲。

1901年，斯文·赫定來到羅布泊探險考察，也發現有成群結隊的野駱駝出沒。他在考察日記中寫道：“一位羅布泊老獵人自稱跟蹤過駝隊，他說，這里野駱駝一群一伙的，有時離人不遠，但很警覺，你要靠近，它就飛快地奔跑起來。”

一百余年后，類似的場景被雙峰駝課題組成員圖門巴雅爾同樣寫入日記：“我慢慢地靠近野生駝群，群中一峰發情的、大的雄駱駝正在驅趕另一峰小的雄駱駝，小駱駝突然發現了我，它稍微遲愣了一下后，猛地向我飛奔過來，我趕忙躲在一棵胡楊樹后，它在距離我十米左右停了下來，大約十秒鐘后，它開始追趕我，試圖用嘴咬我或者把我掀翻在地，我拼命地繞著胡楊樹跑，幾分鐘后，大駱駝追趕過來，兩峰駱駝先后向遠方奔去，我兩腿發軟，坐在地上站不起來。”

這是圖門巴雅爾2009年在蒙古國阿爾泰省自然保護區跟蹤拍攝野駱駝時，記錄下的一個場景。

在該保護區工作了20年的蒙古國戈壁自然保護區主任米吉德道爾吉博士透露，據2010年統計，這個成立于1975年的野駱駝自然保護區內，現有野生駱駝450-500峰。

如今，中國新疆境內的野駱駝越來越少，很少有人能再看到它們。有專家研究指出，這主要是生態惡化和人類活動的影響所致。如羅布泊的逐漸干涸使野生駱駝飲用水源和食草大為減少，加上人類的捕獵，野駱駝的生存空間越來越小。

據專家介紹，20世紀80年代全球有2500-3000峰野駱駝，目前僅存不足1000峰。1995年，國際性野駱駝考察隊先后到達中蒙邊境、塔克拉瑪干沙漠和阿爾金山，并六次進入羅布泊荒漠無人區，累計行程3萬余公里，終于找到了野駱駝。他們先后看到52個群落238峰野駱駝。

根據考古動物學記載，雙峰駝大約在公元前三世紀時已完全被馴化，并且之后遷移到中亞大部分地區。但是，目前科學界對家駱駝的起源及其遷移歷史仍不清楚。

雙峰駝基因組計劃

當遺傳學家們面對神秘高貴的野生駱駝時，最想要的是什么？

上海交通大學孟和教授與內蒙古農業大學吉日木圖教授，以及來自國內32個科研單位、70多位研究者的共同答案是，雙峰駱駝全基因組圖譜。

2010年1月，繪制雙峰駝基因組圖譜的計劃，在內蒙古錫林郭勒盟“駝產業與駝文化發展國際研討會”上誕生。上海交通大學孟和教授在這次會議中正式提出了啟動“雙峰駝基因組計劃”。隨后，該計劃得到了內蒙古農業大學教授吉日木圖和阿拉泰雙峰駝研究院院長陳鋼糧的積極響應。

經過兩年的艱苦努力，2012年11月14日，由中國科學家繪制的全球首張解開駱駝基因組奧秘的基因圖譜正式向全世界公布。這一成果在駱駝學界內產生的震動，不遜于一百多年前歐洲人在羅布泊發現野駱駝。

雙峰駝課題組同時對一峰8歲的野生雄性雙峰駝及一峰6歲的阿拉善雙峰駝進行全基因組序列測定和系統分析?；驁D譜分析顯示，雙峰駝全基因組大小為2.38Gb，共編碼20821基因，其中發現了4756個雙峰駝獨有基因。

系統發育分析顯示，在已完成基因組測序的物種中，雙峰駝與同屬偶蹄目的牛的遺傳關系最近，推測牛和雙峰駝分化時間大約在5500萬—6000萬年前。這一結果同在北美首次發現駱駝科化石證據的時間（5000萬年）基本吻合。

當遺傳學家們首次探索新基因組時，他們最感興趣的是“快速進化”的部分。這些活動熱區通常包含著定義物種的基因，編碼的特征將其與近親區分開來。

雙駝峰課題組主要成員之一、上海生物信息技術研究中心主任李亦學教授在接受Nature雜志記者采訪時說：“我們發現駱駝中許多與代謝相關的基因發生了快速進化。”

進一步分析發現，駱駝中有2730個基因呈現加速進化，這些加速進化基因主要富集在碳水化合物代謝、脂類代謝和調節代謝過程的信號傳導通路，例如胰島素和脂肪細胞因子信號傳導通路。“這些與代謝有關通路的加速進化可能有助于駱駝在沙漠環境中的生存。”李亦學教授說。

“它們在新陳代謝上有著如此顯著的差異，這令我感到非常驚訝。”貝勒醫學院分子遺傳學家Kim Worley說，這些差異可能指明了雙峰駱駝在沙漠中生成和儲存能量的機制。特別是胰島素通路相關基因的適應性進化，可以解釋駱駝高胰島素抗性及在高血壓狀態下沒有產生糖尿病并發癥的原因。

野雙峰駝與家雙峰駝之間的進化關系，曾經有兩種觀點，一部分人認為野生雙峰駝是世界上駱駝科真駝屬僅存的野生種，與家雙峰駝完全不同；另一部分人認為，現存的野生雙峰駝是由于家雙峰駝管理不善，跑到野外而成了野駱駝。

而雙峰駝課題組對于嗅覺基因的分析結果顯示，許多嗅覺受體在家駱駝中的雜和率顯著較低，表明馴養與嗅覺有很大關系。孟和教授還表示，該課題組之前對于雙峰駝線粒體DNA基因組的研究已經證明，現在的雙峰野駱駝不是家駱駝的直接祖先，家駱駝可能來自遠古野生駱駝的一個分支，并推測野生雙峰駝和家養雙峰駝在進化上的分歧時間為700萬年前。

研究還表明，駱駝能耐受高血糖的部分原因是基因發生變異，這些基因變異特征同人類的II型糖尿病很像。其中調節胰島素信號途徑的基因屬于雙峰駝部分快速進化基因的一類。對駱駝胰島素應答的進一步研究有助于了解人類胰島素調控和糖尿病機理。“我對駱駝高血糖耐受非常感興趣。”澳大利亞昆士蘭生命科學院計算生物學家Brian Dalrymple說。

研究者還發現基因組中的一些區域可以解釋，相比人類，雙峰駱駝能夠耐受血液中高鹽水平的原因。在人類，CYP2J基因控制高壓升高：抑制它會導致高血壓。然而，駱駝具有這一基因的多個拷貝，幫助將它們的血壓維持在低水平，即便是當它們攝入大量鹽時。

雙峰駝課題組還發現，駱駝體內一個維持紅細胞形狀的蛋白質功能發生突變，這個突變可能使駱駝的紅細胞快速膨脹，因此能攜帶更多的水分。這個特性使得駱駝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。有趣的是這個特性與鳥類非常類似。至于駱駝的紅細胞為什么和進化學中不相關的鳥類相似，還需要進一步的研究。

新研究標志著對駱駝基因組研究的起點。孟和教授表示，雙峰駝全基因組圖譜的成功繪制和破譯，為了解駱駝特殊生活習性和生理特性，解釋駱駝在極端環境下生存能力的分子機制提供了重要參考。與駱駝獨特生理特性相關的基因功能分析將會是今后研究的重點。駱駝特殊的代謝特性可能會使其成為一種研究代謝綜合征的新型模式生物。

2012年11月16日，雙峰駝全基因組序列圖譜繪制和解析成果發布會后，孟和教授的QQ簽名更新為：“駱駝精神：在逆境中，依然淡定從容、昂首挺立、遙望遠方。”