南、北极「挖矿」：利用极端环境开辟科研、应用新方向

2024-07-27科学

编者按：
「登峰者说」迎来最后一期。除珠峰和万米深渊之外，华大人此前还完成了南极、北极科考，联合国内外跨学科团队进行前沿探索。四极贯穿科研的背后，是华大人不畏艰险、勇攀高峰精神的体现。
本期，小编与 北极熊文章一作、华大生命科学研究院主任科学家刘石平，企鹅文章共同一作、华大生命科学研究院项目负责人周程冉 对话，听他们讲述南北极科研背后的故事。

为未来的科学研究和应用开辟新方向

问：请和我们介绍一下华大的「四极挖矿」，目前取得了哪些成果？

周程冉： 「四极挖矿」是华大的重要项目，四极是指南极、北极、珠峰和深海，挖矿则是通过多组学技术探索四极的生物资源。目前，华大已经取得了一些成果，一是揭示极地生物多样性与生物适应极端环境的分子机制；二是通过挖掘极端环境中的生物资源，比如特殊的工具酶，为工业和医学领域提供新的解决方案。

我们还在南极和深海等地采集了大量的微生物样本，有许多新的发现，有望在医药、环保等领域带来新的突破。 「四极挖矿」不仅让我们了解了更多关于地球生物多样性的秘密，还为未来的科学研究和应用开辟了新的方向。

为人类预防或治疗因高脂摄入引起的心血管疾病提供新思路

问：您于2014年参与了北极熊基因组的研究，请和我们介绍一下这项研究的科学发现。

刘石平： 北极熊是非常具有象征意义的一个物种，随着全球气候变暖，它们的生活领地在逐渐萎缩，据说很多已经漂泊在一些没有冰块覆盖的地方，这对它们的生存造成了很大的威胁。北极熊的研究可分成两个阶段，一是解析其基因组，二是研究北极熊群体的变化历史。

我们在这个研究里发现了很多有意思的现象。第一，我们解析了一个非常有意思的谜团，之前的研究认为北极熊是起源于棕熊的一个亚群，但是我们全基因组的数据第一次反驳了这个结论，证明了北极熊是与棕熊拥有独立起源的两个不同的物种，而非起源于某一亚群。

第二，在北极熊的基因组中，我们发现在近几十万年的时间里，它们与脂肪酸代谢和心血管功能相关的基因受到了非常强的正选择。这解释了为什么北极熊皮下脂肪有20厘米厚，但心血管却没有问题，能够承受胖子带来的烦恼。 这个发现可能会为人类预防或治疗由于高脂肪摄入而引起的心血管疾病提供新的方向和思路 。

揭示企鹅超强视觉和潜泳能力的背后秘密

问：您于2022年以（共）一作身份发表了企鹅相关的研究成果，可以和我们分享一下有什么有趣的研究发现吗？

周程冉： 企鹅的演化之路是由很多小故事组成的，我分享两个有趣的发现。第一，企鹅觅食时需要到达一定的潜水深度，所以敏锐的视觉对其在暗环境下捕食有着重要作用。我们发现在企鹅的视觉系统中，有一些光敏感相关的基因发生了突变，影响了光传导通路，这让企鹅在暗光环境下视觉更加敏锐，能够感知到蓝光和紫外线，从而使企鹅具有了「水下千里眼」的特征。

第二，企鹅的血红蛋白和肌红蛋白具有显著区别与其它鸟类的位点，这使得企鹅能够更高效利用血液中的氧气，延长潜水时间。比如说帝企鹅，它可以深潜到海底大概500米的深度，对体内极少的氧气高效利用。这揭示了企鹅拥有超强的潜泳能力的背后秘密。

克服障碍，发挥国际合作优势

问：研究进行的过程中，有没有遇到困难，是如何克服的？

刘石平： 这个项目当时最大挑战在于，我们如何在低深度测序的方式下，准确获取每个个体的SNP信息。当时我们和国外合作方一起在算法上面做了设计，借助了一些频谱和数学统计的方法来实现。

在投稿阶段也遇到了有意思的事情，当时北极熊的基因组数据一出来，我们就在 GigaScience 上开放共享了。但是国外的一个研究者拿着我们的数据进行分析，还发了一篇 Science 文章。我们当时感觉压力很大，但北极熊太独特了，他们只研究了其中一个方面，其实还有很多方面可以研究。后面我们再继续深入挖掘，最终还是找到一些非常好的结果。

周程冉： 企鹅基因组研究中的样品获取是一个具有挑战性的过程，涉及到广泛的地理分布、文化敏感性、技术与伦理等方面的问题，而解决这些问题的关键点是国际合作。 基于华大与合作方共同发起的万种鸟基因组计划项目，我们与多国研究人员组成了一个大型的合作联盟 。通过合作，我们与多地的科研团队建立了充分的信任，进而逐步克服了地理和文化障碍，能够共同发挥优势，研究不同地区企鹅的历史。