許多動物都有適應(yīng)性，可以幫助他們應(yīng)對特定的環(huán)境或生活方式。南極魚類產(chǎn)生抗凍蛋白，可防止血液在零度以下的溫度下凍結(jié)。一些沙漠嚙齒動物在沒有飲用一滴水的情況下存活下來。生活在高海拔地區(qū)的人類有特殊的適應(yīng)能力來應(yīng)對低氧濃度。

這些特殊的適應(yīng)性在基因組中編碼并代代相傳。這些信息也可以幫助科學(xué)家們預(yù)測未來：閱讀動物的基因可以幫助我們預(yù)測生物體是否以及如何適應(yīng)環(huán)境的快速變化，如氣候變化帶來的變化。了解動物DNA水平的氣候脆弱性可以揭示哪些種群和物種更具風(fēng)險，使我們能夠?qū)⒈Ｗo工作與風(fēng)險物種和預(yù)期的氣候情景相匹配。

我與一群與鳥類Genoscape項目有關(guān)的生物學(xué)家一起工作，他們關(guān)注氣候變化的影響。我們決定用黃鶯調(diào)查這個問題。這些遷徙鳥類在夏季全國大部分加拿大和美國的發(fā)現(xiàn)，居住，從加利福尼亞州的炎熱，干燥的中央山谷的潮濕涼爽的西北太平洋各種環(huán)境。如果你住在北美，附近可能有黃鶯。

閱讀黃鶯的DNA

像這樣的基因組研究是一個大數(shù)目的游戲。首先，我們需要來自整個大陸的大量樣本。幸運的是，我們得到了很多幫助。鳥類監(jiān)測站為我們收集了黃鶯血液樣本，博物館向我們發(fā)送了樣本，其他科學(xué)家從過去的研究中挖掘出他們在冰柜里的DNA。完成所有工作后，我們收集了來自活禽的血液和羽毛樣本以及博物館鳥類的組織樣本。

一旦我們從所有這些樣本中獲得DNA - 來自美國和加拿大20多個地點的大約250只雞 - 我們對每只黃鶯的基因組進行了測序。這導(dǎo)致了大約350億個DNA堿基對 - 構(gòu)成遺傳密碼的DNA化學(xué)單元。使用計算機算法，我們比較了這250個基因組，并研究了來自不同氣候區(qū)域的鳥類中基因組的哪些部分不同。

我們并不真正知道基因組的哪些部分(如果有的話)會顯示氣候適應(yīng)的跡象 - 所以我們沒有選擇檢查任何特定的基因。相反，我們研究了基因組的許多隨機區(qū)域，總共超過100,000。我們比較了每個基因組區(qū)域的變異與不同的環(huán)境參數(shù)，這些參數(shù)與采樣鳥類的溫度，降水和植被測量有關(guān)。

我們發(fā)現(xiàn)，在這些環(huán)境變量中，降水與遺傳變異的關(guān)系最為密切。當(dāng)我們在所有樣本中檢查黃鶯基因組的這些區(qū)域時，我們發(fā)現(xiàn)，與生活在干旱地區(qū)的鳥類中的相同基因相比，一些基因在多雨區(qū)域的鳥類中看起來不同。

換句話說，來自該國最干旱地區(qū)的黃鶯中的相同基因的DNA序列與來自非常潮濕地區(qū)的鳥類略有不同。這表明有一種理想的遺傳變異與環(huán)境相匹配 - 這些鳥類適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐臍夂颉?/p>

但如果鳥類適應(yīng)當(dāng)前的氣候，隨著氣候變化，未來幾年會發(fā)生什么?

預(yù)計美國許多地區(qū)在下個世紀(jì)會變得更加溫暖和干燥。因為我們現(xiàn)在知道哪種遺傳變異對于每種氣候都是理想的，我們可以計算出黃鶯種群的基因組序列在未來50年內(nèi)必須改變多少以匹配適應(yīng)未來條件的黃鶯的遺傳譜。例如，基于現(xiàn)在生活在溫暖地區(qū)的黃鶯的基因組譜，我們可以估計將來需要多少鳥類來適應(yīng)更溫暖的氣溫。

我們使用的算法將來自所有100,000個基因組區(qū)域的數(shù)據(jù)與25個不同氣候變量的公開數(shù)據(jù)相結(jié)合，包括當(dāng)前和未來的氣候變化。當(dāng)數(shù)字被碾壓時，我們估計的分?jǐn)?shù)反映了人口需要改變的人口DNA數(shù)量才能適應(yīng)未來的氣候變化。我們稱之為不同黃鶯種群的“基因組脆弱性”。

人口可能已經(jīng)受到氣候變化的威脅

一些地區(qū)，如落基山脈，表現(xiàn)出非常高水平的基因組脆弱性，表明這些地區(qū)的黃鶯需要在其基因組中進行許多變化以跟上氣候變化。與此同時，來自中西部等其他地區(qū)的鳴禽的基因組脆弱性較低 - 這些鳥的風(fēng)險較低。整個范圍內(nèi)基因組脆弱性的差異是由于預(yù)測的氣候變化模式的變化;預(yù)計一些地區(qū)會變得更熱和更干燥，而其他地區(qū)實際上可能變得更濕潤和更涼爽。

當(dāng)我們將基因組脆弱性與過去50年中黃鶯種群的變化進行比較時，我們可能會發(fā)現(xiàn)最令人吃驚的發(fā)現(xiàn)。在加利福尼亞部分地區(qū)和落基山脈地區(qū)，這些地區(qū)的基因組脆弱性最高，黃鶯數(shù)量已經(jīng)下降。這可能意味著氣候變化已經(jīng)影響了這些人口，這些影響在下個世紀(jì)可能會變得更加嚴(yán)重。

雖然我們發(fā)現(xiàn)棲息在不同氣候的鳥類之間存在遺傳差異，但我們?nèi)匀徊磺宄@些遺傳差異的含義。也許來自干旱地區(qū)的鳥類可以利用與生活在潮濕地區(qū)的食物不同的食物來源。也許鳥類的遷徙時間與不同地區(qū)不同類型的植被相匹配。只有后續(xù)研究才能告訴我們鳥類如何適應(yīng)不同的氣候。

黃鶯顯然不是唯一受氣候變化影響的物種。通過鳥類Genoscape項目，我們正在努力創(chuàng)建許多北美鳥類的基因組脆弱性地圖。我們也希望這個框架也將用于其他類型的野生動物，而不僅僅是鳥類。