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对话张国捷:终结鸟类演化争论

2014年12月12日 07:45 来源于 财新网
中国科学家第一次发起和主导如此之大的国际研究,并有一系列的研究成果以专刊的形式在《科学》杂志发表。项目领衔者之一向财新记者详解项目来龙去脉
张国捷

  【财新网】(记者 崔筝)2014年12月12日,美国著名学术期刊《科学》杂志以专刊形式一次性发表了8篇关于鸟类生命演化谱系及比较基因组学的最新研究论文,揭示了迄今为止最可靠、全面的鸟类的“生命之树”。

  这些研究论文项目是一项大型比较基因组学研究的最新成果,耗时四年,来自20个不同国家、约80个机构的200多名科学家参与其中,而年轻的中国科学家张国捷则是项目的发起人和三位领头人之一。

  32岁的张国捷是深圳华大基因研究员比较基因组的带头人,也同时是丹麦哥本哈根大学助理教授,主要研究领域为基因组生物多样性。虽然是一个国际化项目的带头人,张国捷的履历却很“本土”:他大学本科就读于厦门大学,毕业后考入中国科学院昆明动物研究所和华大基因进行研究生学习,2010年,这项日后结出硕果的研究开始之时,张国捷才刚刚获得博士学位。

  在博士毕业之后,张国捷并没有进入到中国本土的科研体制中,在就鸟类演化项目试图申请国家科研经费未果之后,他得到了华大基因的全力支持,才有了今天的成果。

  12月11日,张国捷在接受财新网专访,分享他的科研之路,以及这项备受瞩目的研究成果背后的意义。

  财新:为什么要了解如此大的人力财力来研究鸟类?对人类的生产生活有什么指导意义?

  张国捷:对地球自然历史的探索和了解一直是人类追求真知的重要活动。其中最基本的问题就是,我们从何而来,我们是什么,我们是如何发展的?我们都会思考,人类是哪里来的,什么时候出现的,是如何发展到今天的样子?同样对于地球上的所有生命,我们也会询问同样的问题,它们是哪里来的?为什么会发展到现在如此丰富的多样性?

  比如鸟类,不同的鸟类之间差异非常大,它们有各种各样色彩绚丽的羽毛,有各种不同的动人叫声。在全世界观察动物的人中,鸟类爱好者是最多的。鸟类在科学研究中也非常重要。鸟类的足迹遍布全球,占据了各种生态位,是研究生态系统重要的类群生物。鸟类的研究对于人类社会历史发展中也有重要价值,对家禽的驯化对人类社会发展具有里程碑意义,是非常重要的食物来源。

  在神经生物学和发育生物学方面,鸟类也是重要的研究对象,比如鸽子如何感应磁场回巢。有些鸟类会进行远距离迁徙,例如从西伯利亚飞往云南越冬,它们的大脑是如何定位的?总之,关于鸟类有很多有意思的问题,这也是数百年来世界科学界研究的重要生物物种。

  对各种鸟类生物学特征的分子机制目前了解非常少。为了解决这样的问题,我们需要先知道这些鸟类是怎么来的,要先构建出鸟类之间的关系谱,才能推断这些生物性状的形成之谜。

  在四年前,我在组织鸽子的基因组项目的分析工作。在考虑如何进行下一步的工作时,我们希望能够利用基因组学开展最基础的最具颠覆性的研究。从达尔文开始用“生命之树”阐释生物演化开始,虽然有数百年的研究历史,直到在这个研究发表之前,现代鸟类的演化过程都不清楚。于是我们希望能用全基因组的数据来攻克这个难题。因为在此之前,我们已经利用全基因组的数据揭示了个别哺乳动物的演化过程。

  财新:这次研究围绕鸟类的演化过程,最后的成果包括20多篇论文,其中最核心、最重要的研究是哪一块?

  张国捷:最重要的研究是构建出了有史以来可信度最高的鸟类生命之树。这是困扰了世界几百年的难题。相对其他生物类群,构建高可信度的鸟类关系谱树很难,过去各种研究结果都存在各种冲突。原因是鸟类在6千万年前经历了一次物种大爆发,有数千种物种同时在很短的时间内产生。

  对这段历史,有非常重要的科学假设,认为鸟类是在恐龙灭绝之后出现的物种大爆发,而我们这一次通过新构建的鸟类生命之树和演化时间推断确认了这个假说,确认了这次物种爆发的时间。

  当然,一系列研究成果的前提,就是鸟类演化树关系图的确认,所以,这一系列研究中最重要、最中心的成果,是彻底解决了鸟类生物演化的争论,给出了准确的现代鸟类的关系树,这是其他任何工作的基础。

  财新:在中国的科研系统中,华大基因是一个非常独特的存在,有别与传统的体制内的研究机构的环境,这对你的研究有什么帮助吗?

  张国捷:在华大工作的优势在于,对年轻科研工作者是一个很好的平台。

  2010年,我刚拿到博士学位,当时也想过就这个课题申请国家经费,但当时没有成功。虽然在当时已经在比较基因组学上开展了许多工作,但是当时的评委还是认为我的资质不够,因此没有获得批准。于是我就在华大提出了该项目的设想,得到了他们的大力支持,也给了我很大的自由度,马上就可以开展工作,而不是先申请经费。这一点对我来说非常重要,给我提供了宝贵的时间和机会。

  构建这个生物演化树的计算量,一个超级计算机的CPU要跑300年,所以我们需要大规模的生物计算的资源,在这个过程中我们整合了全球几乎所有的大型计算中心。所以华大的无条件支持是非常重要的。

  财新:这是中国科学家第一次主导这样的大型研究吗?

  张国捷:这个项目是华大来主导的。我在华大一直从事动物基因组的研究,利用基因组学来研究生物的演化,及对环境适应的分子机制。

  华大之前也曾经主导过许多大型研究,但这是历史上中国科学家主导项目中首次以专刊形式在《科学》杂志发表。整个研究历时4年,有8篇文章同时在《科学》杂志上发表,另有20篇文章同时在其他学术期刊上发表,这本身是一项成果产生非常大的项目。这也是为什么《科学》杂志对我们的工作如此重视。

  财新:这个研究由中国科学家主导,但最后的成果也包含了多国科学家的集体心血的结晶。这样大规模的国际合作是怎样形成的?

  张国捷:在这个项目之前,我已经开展了5年的基因组学研究,一开始确实只是想完全解决鸟类演化树的问题,但开展这一项目还需要其他科学家的帮助,比如需要鸟类学家在选取物种时提供意见,需要有专家去野外搜集样本等等。我们在对外公布这一项目后,又先后收到世界各地科学家的加入申请。基于这样的组织方式,慢慢的有200多个科学家加入了我们的联盟。

  在积累了许多关于各种鸟类的相关信息之后,我们也产生了更多的问题,例如,我的课题组此前曾在其他动物里进行过性染色体方面的研究,有了鸟类的基因组数据之后,我的课题组与加州伯克利大学的周琦博士一起继续了在鸟类里的性染色体演化史研究。在这次专刊上我们也同时发表了这一工作。

  另外还有很多问题是在大数据的推动中自然的产生,也有许多之前的争议很久的问题在有更全面的数据基础上得到了回答。

  财新:这次的研究成果对于中国国内的生物学研究什么样的意义?

  张国捷:我们希望借这个机会对中国国内生物多样性方面的研究有所推动。在这一项目里,确实我们吸引了更多的国外同行的加入。相对于国际上的资源,在中国能够找到的合作资源比较有限,其背后的问题可能在于,我国对于生物多样性的研究还不够重视。而欧洲、美国在这一方面已经有了数百年的研究积淀,积累了非常丰富的自然历史数据。

  中国也有很多非常优秀的研究生物多样性的专家,但是由于更多的经费是放在与医学相关和其他方面的生物学上,在生物演化方面的重视还不是特别足够。

  此外,国内经费更倾向于投在已经非常资深的研究者上,对年轻的科研工作者来讲,起步会普遍比较困难。

  财新:近几年中国国内的生物学研究投入巨大,也有不少成果产出,您如何评价国内生物学研究的发展?

  张国捷:中国国内生命科学的研究在近几年来有很大的进步,比如在在神经生物学、细胞生物学、免疫学等方面有非常多突破性的成果。然而对于最基础的演化生物学的相关研究,相对国际上却还是非常缺乏。对于生物多样性研究的投入也还不够。这一的环境下,会很难吸引到更多优秀的人才参与。

  但是生物演化是当代生物学最为重要的理论基础。对物种起源和演化历史的了解是开展许多生物研究的前提。开展任何一个生物学的研究都绕不开生物演化的相关问题。目前,国际上的生命科学有一个比较明显的趋势是尝试对生物各个学科进行整合,以演化生物学为基础,辐射并综合其他学科来回答生命的组成和运转机制。目前国内的生物学研究还处在特定的发展阶段上,希望随着国内科研的飞跃发展,慢慢也在生物理论上也能在国际上跟进并引领学界的风潮。

责任编辑:任波 | 版面编辑:黄玉婷
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