科学网—动物的基因会记住过去的风景么？
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2026-10-20 11:56
| 个人分类: 科普 | 系统分类: 科普集锦
地球表面的景观在不断变化：道路像蛛网延伸，城镇如涟漪扩展，农田起伏蔓延，森林逐渐被分割开来……，这些变化不仅改变了我们眼前的风景，也可能在悄无声息中影响着生活其中的野生动物。这些影响中，有些容易觉察，如一些曾经常见的动物越来越少，甚至在我们的周围消失；有些则较为隐秘，例如，景观变化是否改变了动物们的血脉，也就是它们的遗传结构？
要回答这个问题，需要先了解一门叫做景观遗传学的学科，它正在试图解开景观格局与动物种群基因结构之间的秘密联系。
什么是景观遗传学呢？我们可以这样想象：动物在一个个散布的村落中生活，会在村落之间扩散、迁徙，就形成了基因流动。如果基因流动频繁、顺畅，整个种群的遗传结构就会比较相似，像一个大家族；如果交流受阻，各个村落就会各自为政，久而久之，遗传上就会出现差异。景观遗传学就是研究景观特征如何影响基因流动的学科，简单来说，就是看山、水、路、林、田这些风景是如何帮助或阻碍动物走亲访友、最终影响了整个种群的血脉传承。
早期的时候，科学家认为影响基因流动最重要的因素是地理距离，两个种群相距越远，个体越难以迁移和交流，遗传差异自然也会越大，这种现象被称为地理距离隔离。可以这样来理解，就像过去交通不便时，人们往往更容易与附近村落通婚，而与遥远地区的人交流较少，这是基因流动最基本的默认模式。随着研究深入，科学家们逐渐发现，现实世界远比单纯的距离远近复杂得多，因为对动物来说，世界并不是一张平坦均质的地图，而是一张“好不好走”的地图。例如，对于适应森林中生活的动物来说，车辆来往的宽阔道路、密集的村镇可能意味着更高的风险，它们在移动时往往会主动避开这些“不好走”的区域。因此，真正影响基因流动的，不只是两地之间的地理距离，还有景观本身形成的通行难度。科学家把这种影响称为景观阻力，而由此形成的基因交流限制，则被称为景观阻力隔离。
那么，这两者到底谁更重要？科学家发现，两者并非非此即彼，而是以不同的程度相互叠加共同作用。在真实的景观中，地理距离本身就隐含了阻力，比如两个相隔很远的点位之间，很可能要翻越多座山丘、穿过多条道路。换句话说，地理距离隔离为基因流动提供了一个基准背景，而阻力隔离则在这个背景之上，叠加了额外的阻碍或促进。以加拿大的北方森林中的驯鹿为例，它们的基因分化主要受地理距离驱动，但道路、水域和火烧迹地等产生的阻力会在地理距离的基础上添砖加瓦，共同塑造驯鹿的种群结构。
说到这里，你可能会想：既然景观能够通过地理距离和景观阻力影响基因流动，那我们是不是只要对比今天的风景和今天的种群基因结构，就能判断因果关系了？事情没有那么简单，这样可能忽略了一个重要的要素，那就是时间。
景观发生变化后，动物群体的遗传结构并不会立刻响应，而是需要一段时间才能显现出来，这种延迟被称为时间滞后效应。科学家们在一些昆虫身上捕捉到了这种效应。比如一种名叫罗氏姬螽的灌木蟋蟀，它的遗传结构反映的是大约 50 年前的景观特征；美国东部的一种蝾螈的种群遗传结构则滞后约 40 年。可以说，今天动物血脉里记录的往往是昨天、前天甚至更久以前的风景，如果只看眼前的风景，我们有可能低估、甚至完全错过景观变化对动物遗传的真正影响。那么，如何才能突破这个局限？这正是我们选择在小兴安岭森林，针对西伯利亚狍这种动物尝试回答的问题。
现在，让我们把目光转向中国东北的小兴安岭，这是镌刻在很多人年少记忆中的风景，“有数不清的红松、白桦、栎树……几百里连成一片，就像绿色的海洋”！这片绿色的海洋面积近 10 万平方公里，从上世纪 50 、 60 年代开始，其中逐渐出现农田城镇。这片海洋中生活着一种鹿科动物西伯利亚狍，就是东北人常说的傻狍子。我们试图回答：影响今天西伯利亚狍基因结构的究竟是哪些年的风景？
在 2022-2023 年冬季，我们在小兴安岭设置 11 个采样区收集狍的粪便样品，别小看这些粪便，它们含有宝贵的 DNA 信息，让我们可以像破译密码一样，从中读出每个采样区狍群体的遗传多样性以及群体间的遗传差异。与此同时，利用来自卫星遥感数据的 1995-2020 年共 6 个时间节点的景观档案来追踪风景的变化。我们构建每个年份的景观阻力面，也就是狍在不同景观中移动的困难程度地图，最终揭示景观格局和遗传差异之间的关系。
研究结果证实了时滞和积累影响的存在。 2005 年的景观对当前遗传差异的影响最大（解释 36% 的遗传变异），也正是 2005 年比其他年份表现出更强烈的破碎化：农田边界变得复杂、林地斑块更加零散以及景观聚集度降至最低，这种景观状态给当时活动的狍留下了深刻的遗传印记。此后随着国家各种森林保护措施的实施，森林景观得到恢复，但写入基因的变化至今仍可检测到。其次是 2020 年（约 20% ），其余四个年份贡献率 7% – 18% 不等。也就是说，过去 25 年的景观变化，都在持续产生影响，这意味着狍的基因记录的并不是某一个瞬间，而是一段漫长的历史。
我们还发现，任何单一年份中，地理距离对遗传差异的解释力都比景观阻力距离强，而且两者并非独立起作用，大约有 6 成的影响力相互交织在一起，共同塑造了狍种群的遗传结构。进一步，我们将 6 个年份的景观信息叠加起来，相当于让狍记住了过去 25 年里每一时期的通行难度，构建了一个时间累积阻力模型。这个模型对当前遗传差异的解释力，超过了任何一个单一年份的阻力模型，甚至略高于纯地理距离模型。两者叠加，共同解释了狍种群 54% 的遗传变异。
让我们再回到最初的问题：动物的基因会记住过去的风景么？
对于小兴安岭的西伯利亚狍来说，答案是肯定的。但故事远比是或否更复杂，其意义也比是和否更加深远，它告诉我们，景观格局对基因的影响，是一个穿越时空的、持续累积的过程，今天的血脉里，流淌着过去几十年景观变迁的记忆。所以，当我们谈论生态保护，谈论如何为野生动物保留基因交流的通道时，我们不仅要看到今天的风景，更要读懂景观的历史档案，读懂它们之间的关系。更重要的是，这些基因印记告诉我们：人类对自然的影响不只当下、从未 停止。 那么，我们今天铺设的每一条道路、建成的每一个村镇、种下的每一片森林，未来都可能书写进动物种群基因结构演变的历史。因此，在做出任何改变景观的决策时，我们有责任思考、有责任谨慎、有责任让每一次行动都留有余地，有责任保护好这个在宇宙里孤独的生机盎然的星球！
—— 国家自然科学基金面上项目基金资 助
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