南、北極「挖礦」：利用極端環境開辟科研、套用新方向

2024-07-27科學

編者按：
「登峰者說」迎來最後一期。除珠峰和萬米深淵之外，華大人此前還完成了南極、北極科考，聯合國內外跨學科團隊進行前沿探索。四極貫穿科研的背後，是華大人不畏艱險、勇攀高峰精神的體現。
本期，小編與 北極熊文章一作、華大生命科學研究院主任科學家劉石平，企鵝文章共同一作、華大生命科學研究院計畫負責人周程冉 對話，聽他們講述南北極科研背後的故事。

為未來的科學研究和套用開辟新方向

問：請和我們介紹一下華大的「四極挖礦」，目前取得了哪些成果？

周程冉： 「四極挖礦」是華大的重要計畫，四極是指南極、北極、珠峰和深海，挖礦則是透過多組學技術探索四極的生物資源。目前，華大已經取得了一些成果，一是揭示極地生物多樣性與生物適應極端環境的分子機制；二是透過挖掘極端環境中的生物資源，比如特殊的工具酶，為工業和醫學領域提供新的解決方案。

我們還在南極和深海等地采集了大量的微生物樣本，有許多新的發現，有望在醫藥、環保等領域帶來新的突破。 「四極挖礦」不僅讓我們了解了更多關於地球生物多樣性的秘密，還為未來的科學研究和套用開辟了新的方向。

為人類預防或治療因高脂攝入引起的心血管疾病提供新思路

問：您於2014年參與了北極熊基因組的研究，請和我們介紹一下這項研究的科學發現。

劉石平： 北極熊是非常具有象征意義的一個物種，隨著全球氣候變暖，它們的生活領地在逐漸萎縮，據說很多已經漂泊在一些沒有冰塊覆蓋的地方，這對它們的生存造成了很大的威脅。北極熊的研究可分成兩個階段，一是解析其基因組，二是研究北極熊群體的變化歷史。

我們在這個研究裏發現了很多有意思的現象。第一，我們解析了一個非常有意思的謎團，之前的研究認為北極熊是起源於棕熊的一個亞群，但是我們全基因組的數據第一次反駁了這個結論，證明了北極熊是與棕熊擁有獨立起源的兩個不同的物種，而非起源於某一亞群。

第二，在北極熊的基因組中，我們發現在近幾十萬年的時間裏，它們與脂肪酸代謝和心血管功能相關的基因受到了非常強的正選擇。這解釋了為什麽北極熊皮下脂肪有20厘米厚，但心血管卻沒有問題，能夠承受胖子帶來的煩惱。 這個發現可能會為人類預防或治療由於高脂肪攝入而引起的心血管疾病提供新的方向和思路 。

揭示企鵝超強視覺和潛泳能力的背後秘密

問：您於2022年以（共）一作身份發表了企鵝相關的研究成果，可以和我們分享一下有什麽有趣的研究發現嗎？

周程冉： 企鵝的演化之路是由很多小故事組成的，我分享兩個有趣的發現。第一，企鵝覓食時需要到達一定的潛水深度，所以敏銳的視覺對其在暗環境下捕食有著重要作用。我們發現在企鵝的視覺系統中，有一些光敏感相關的基因發生了突變，影響了光傳導通路，這讓企鵝在暗光環境下視覺更加敏銳，能夠感知到藍光和紫外線，從而使企鵝具有了「水下千裏眼」的特征。

第二，企鵝的血紅蛋白和肌紅蛋白具有顯著區別與其它鳥類的位點，這使得企鵝能夠更高效利用血液中的氧氣，延長潛水時間。比如說帝企鵝，它可以深潛到海底大概500公尺的深度，對體內極少的氧氣高效利用。這揭示了企鵝擁有超強的潛泳能力的背後秘密。

克服障礙，發揮國際合作優勢

問：研究進行的過程中，有沒有遇到困難，是如何克服的？

劉石平： 這個計畫當時最大挑戰在於，我們如何在低深度測序的方式下，準確獲取每個個體的SNP資訊。當時我們和國外合作方一起在演算法上面做了設計，借助了一些頻譜和數學統計的方法來實作。

在投稿階段也遇到了有意思的事情，當時北極熊的基因組數據一出來，我們就在 GigaScience 上開放共享了。但是國外的一個研究者拿著我們的數據進行分析，還發了一篇 Science 文章。我們當時感覺壓力很大，但北極熊太獨特了，他們只研究了其中一個方面，其實還有很多方面可以研究。後面我們再繼續深入挖掘，最終還是找到一些非常好的結果。

周程冉： 企鵝基因組研究中的樣品獲取是一個具有挑戰性的過程，涉及到廣泛的地理分布、文化敏感性、技術與倫理等方面的問題，而解決這些問題的關鍵點是國際合作。 基於華大與合作方共同發起的萬種鳥基因組計劃計畫，我們與多國研究人員組成了一個大型的合作聯盟 。透過合作，我們與多地的科研團隊建立了充分的信任，進而逐步克服了地理和文化障礙，能夠共同發揮優勢，研究不同地區企鵝的歷史。