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  幻雪夜57 2016-03-29 17:58:03

  新技术让古生物DNA重获生命 有一天你可能不是在科幻影片《侏罗纪公园》里，而是在现实中，看见活生生的恐龙、猛犸象……今年，科学家利用新技术从化石中成功提取出古生物的DNA，这使追溯生物演化的全过程、克隆古生物等成为可能？ 这一发现被《科学》杂志列为“2006年度世界10大科技进展”之一。 ———技术突破———化石DNA研究极其烦琐 保存在化石和考古材料中的古DNA，由于受水解和氧化等降解因子的影响，总是以高度片段化、小分子量的形式存在于古代样品中。 “化石DNA的保存好坏与其所在环境的温度、pH值、湿度、液体的离子浓度及埋藏时间等因素有关，一般来说干燥、低温的环境下可以保存较好的化石DNA。”ZG地质大学(武汉)地球科学学院教授赖旭龙说。 对于化石和考古材料中的古DNA研究，同现代动植物的DNA研究一样，一般需经过取样、提取、扩增和测序等步骤，尽管古DNA研究的实验仪器及实验程序和现代DNA基本一致，但是由于古代生物中保存的DNA经受了不同程度的损伤降解、污染等，这就要求有非常严谨的实验条件和经过多方面的验证才可以得出可靠的实验结果。 “古DNA的研究相对现在动植物的DNA研究来说要烦琐很多。”赖旭龙说。 化石DNA研究取决于技术 “化石DNA研究除要选用合适的研究材料外，还与实验技术有很大的关系。”赖旭龙说。 他介绍，化石DNA的研究过程自20世纪90年代以来就没有大的变化：即在提取实验后，进行多次常规PCR反应及分子克隆，经测序后获得一系列古DNA片段，然后拼合成一条完整的序列。 “每次PCR反应就要消耗掉提取出来的数量很少的古DNA模板，当需要作更多的PCR反应时，只好再进行古DNA的提取以获得更多的模板。这种方法既消耗许多样品和试剂，同时也很耗时。”赖旭龙说。 新技术被业界肯定 2006年“从化石中提取DNA”被评为2006年度世界10大科技进展，主要成就在于欧美国家几个实验室利用一些新技术分别从尼安德特人和猛犸象获得了古基因组。其中美国和德国的几个实验室利用宏基因组学和高通量直接测的方法从未经过扩增的古DNA提取物中获得了65万个碱基对和100万个碱基对长度的尼安德特人的古DNA序列。 “这一方法不仅可以避免在PCR扩增中容易造成的核苷错配，还为已灭绝生物的基因组研究提供新的方法。另外，由加拿大、美国及德国科学家组成的一个研究小组，利用美国生命科学公司发明的一种快速简单的测序方法从猛犸象化石中获得了1300万碱基对的古DNA序列。”赖旭龙说。 “所以，尼安德特人DNA能够再次被评为2006年度世界10大科技进展，更多的是对古DNA实验技术创新的肯定。” ———重大意义———研究生物演化须了解古生命 地球上的生命已经有30多亿年的历史，目前我们所能直接观察到的现代生物世界，相对漫长的生命演化史来说只是一个短暂的瞬间。要了解生物演化的全过程，必须了解古代生命的发展。 “对于古代生物的了解，我们主要基于对保存在地层中化石的研究。在人们不能从化石中提取DNA时，这种研究主要是基于化石形态学的研究。”赖旭龙介绍。 古DNA能描绘生物谱系 古DNA作为在化石和考古材料中所能获取的唯yi的古代生物遗传信息，目前已成为探索历史时期生物系统分类、演化和谱系发生的重要手段。 赖旭龙介绍，已有研究证明从化石和考古材料中获得的DNA已经在古代和现代生物的谱系关系研究，濒危物种的保护，现代人的起源、迁移和演化，动植物的家养和驯化过程及早期农业的发展，遗传多样性的变化和古病理学研究等方面发挥独特的作用，并且已对生物学、古生物学、地质学、考古学和人类学等学科产生重要影响。 ———前景预测——— “新的古DNA技术的出现，无疑将为该研究领域带来革命性变化，使我们从化石和古代生物中更容易获得更多的古代生物的遗传学信息。预计将来可能的发展将主要体现在以下几个方面。”赖旭龙给记者做了预测。 预测一：用于古生物群体研究 2006年的尼安德特人和猛犸象的研究成果，主要是对单一化石标本的DNA研究，这些成果尽管也探讨了演化谱系的问题，但更偏向于古DNA技术的探索。一旦该技术被证实是可靠的，将来会大量的用在同一物种在不同时间序列上不同个体的研究，从而可以从历史群体遗传学角度探讨居群内基因多样性随时间变化的情况。这类研究对于濒危物种的保护尤其重要。 预测二：从多种途径获取古DNA 将来获取古DNA的材料将不会只是化石和古代生物的残骸，有了新的技术，人们还可以从冻土、湖泊和海洋及洞穴等沉积物、冰芯等载体中获取古DNA，从而扩大古DNA研究对象。 预测三：古DNA保存年限延长 20世纪90年代晚期以来，国际古DNA学界普遍认为古DNA的保存理论年限只有10万年，2003年丹麦学者Willerslev通过对西伯利亚冻土中古DNA的研究，认为在有利古DNA保存的冻土地带古DNA可以保存数十万年。随着新的技术的出现，人们很可能从更古老的材料中获得化石DNA。 预测四：与生物小分子研究相结合 随着从不同地质载体中获取古DNA的增多，有可能可以对同一载体中保存的其他生物小分子进行综合研究。以类脂为例，作为生物小分子的类脂化合物比DNA更容易保存在地质体中，且保存的年限也比DNA长，已有研究证明类脂化合物是很好的环境和气候变化的指标，如两者结合研究就可以较好地反映古代生物随环境和气候的变化所发生的演化趋势。 ———专家观点——— 赖旭龙：ZG地质大学(武汉)地球科学学院教授 我国Z先从古生物中提取DNA 从某种意义上来说，我国应该是世界上diyi个试图从古代生物中获取DNA的国家，1980年当时的湖南医学院的专家从约2000年前的长沙马王堆汉代女尸中取出古核酸，该成果被德国哥廷根大学于1994年主编的diyi本有关古代DNA的专著———《古代DNA》所提及，遗憾的是湖南医学院的专家们当时没有对马王堆汉代女尸古DNA进行序列测定。目前国际古DNA学界多认为美国加利福尼亚大学伯克利分校Higuchi等于1984年成功地从博物馆保存的已绝灭100多年前四足动物斑驴的皮肤上提取并克隆的线粒体DNA为世界上diyi例古DNA研究。 与国外相比尚有差距 20世纪90年代早期国际上掀起古DNA研究热潮，我国同行开始重新介入该研究领域。1995年中科院南京地质古生物研究所筹建了我国diyi家专门的古DNA实验室。迄今为止，以我国学者为主除报道了华北地区猛犸象的古DNA、青藏高原多年冻土中的古代眼子菜以及河南省古代绵羊残骸中的古DNA序列外，其他研究主要集中在我国不同年代和不同地区的古人类研究方面。这些研究成果大部分均有待于得到可重复性实验的证实，在国际上的影响不是很大。坦率地说，目前我国古DNA研究与国际先进水平尚有较大差距。 不过，目前古DNA的研究标准已经确立，加上2006年度用于古DNA研究的一些新技术的诞生，只要立足于我国特有的化石和考古材料，相信在不久的将来我国科学家有望在古DNA研究领域取得举世瞩目的研究成果。 ■新闻缘起 二○○六年年末，美国《科学》杂志公布当年度的十大科学进展。这是对科学研究的年终盘点，“共享科学”栏目将从十大科学进展中选取“化石中提取DNA”、“冰原正在不断消失”等作深入报道，让读者与我们一起共同关注科学发展前沿。 ■相关链接 美科学家欲从霸王龙化石里提取DNA 电影《侏罗纪公园》讲述了科学家用DNA复制恐龙的故事，这个令人惊叹的想法也许在未来会成为现实。日前，美国科学家从一具7000万年前的霸王龙化石中发现了软组织，并看见血管和细胞结构。 这具霸王龙化石于2003年在美国蒙大纳州被发现，且保存较好。科学家在对化石的一节腿骨进行研究后，发现在骨腔里存在罕见的化石矿物质沉积体。在经过脱矿物质处理后，剩下的是柔软、透明且富有弹性的赭色软组织，在显微镜下甚至可以看到血管和细胞结构。玛丽·施韦策博士领导的美国北卡罗来纳州大学研究小组称：“这真是一件令人震惊的事，直到我们又重复了17次实验，才相信这是真的。”

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