进化速度落后于气候变化, 科学家找到办法: 利用DNA来追赶

进化需要数千年时间，而气候变化发生的速度要快得多。

这种不匹配正在摧毁地球上一些最重要的生态系统，从加州高耸的红杉树到沿海的海草床，它们都储存着大量的碳，并支撑着复杂的生命网络。

随着气候变化（由石油和天然气等燃料排放驱动）的加速，海洋热浪、创纪录的野火和沿海开发正使这些生态系统不堪重负。据联合国下属政府间科学机构2019年的一份报告显示，估计有100万个物种面临灭绝，其中许多物种将在几十年内消失，这主要是由于栖息地破坏、污染和自然资源过度利用等人类活动造成的。

科学家们正努力通过一门名为保护基因组学的新兴学科来弥合这一差距：对生物体的完整基因蓝图进行测序，以找出具有适合在干旱、疾病和其他极端气候条件下生存的特征的个体，然后利用这些信息来指导恢复工作。

珊瑚礁是最早应用这些基因组工具的生态系统之一。反复发生的海洋热浪导致大规模珊瑚白化，对全球珊瑚礁造成了毁灭性破坏。通过对珊瑚及其体内共生藻类进行测序，研究人员已经识别出一些能够自然耐受更高温度的珊瑚群落，并开始测试选择性地培育这些更具适应性的珊瑚是否能够促进珊瑚礁的恢复。

海草正面临压力

在南加州，由于传统的修复方法收效甚微，研究人员正将这种方法应用于鳗草（一种海草）。鳗草为鱼类、螃蟹和浮游生物提供栖息地，为候鸟提供食物，并将碳和甲烷（两种温室气体）封存在沿海沉积物中。

圣地亚哥海湾的状况正在发生变化。水温正在升高。一年中最高潮汐——大潮（气候变化导致其发生频率更高、强度更大）——会搅动海底沉积物，减少到达海底的光线。城市开发活动会将径流排入海湾，进一步加剧水体的浑浊。

因此，重新种植已失去的植物的努力大约有一半会失败。

“保护基因组学变得尤为重要，因为目前气候正在变化——一种曾经在圣地亚哥湾生长良好的植物，现在圣地亚哥湾可能对它来说太热了，”索尔克生物研究所的研究教授托德·迈克尔说。

在米申湾，迈克尔和他的同事们发现了一条提高鳗草生存几率的线索：一种天然杂交鳗草，其生长状况优于其亲本物种。这种植物是浅水鳗草（Zostera marina）和深水鳗草（Zostera pacifica）的杂交品种，在两种亲本物种都难以生存的地方顽强地存活了下来。

通过对该植物的基因组进行测序，研究团队发现了与植物昼夜节律钟相关的基因，这些基因在低光照条件下保持更长时间的活跃状态。科学家认为，这种模式可能有助于植物在浑浊的水中更有效地进行光合作用。

研究结果表明，通过选择或培育更适应未来环境的鳗草，可以改善生态修复效果。但目前，这项工作仍主要处于实验阶段，尚未在实地大规模推广。研究人员已与斯克里普斯海洋研究所的生态学家合作，探索如何将这些研究成果应用于未来的生态修复工作中。

将类似技术应用于北加州的红杉树

根据拯救红杉联盟和洪堡州立大学 2020 年的一项研究，红杉是地球上最高、最古老的树木之一，而且红杉林每英亩储存的碳量比其他任何森林都多。

这些树木虽然在频繁的低强度火灾中进化而来，但如今更猛烈、更具破坏性的野火，加上干旱，正对它们造成越来越大的影响。伐木的影响更为严重：约95%的原始红杉被砍伐，极大地降低了它们的遗传多样性。

科学家已经完成了红杉基因组的测序——考虑到其庞大的规模（几乎是人类基因组的九倍），这是一项巨大的工程。

然而，研究人员表示，这项工作不仅仅是恢复曾经存在的一切，而是让森林适应与过去截然不同的气候。

“一种生物体在某个时期适应了某个特定地点，但现在可能不再适应了，”加州大学戴维斯分校森林遗传学家、杰出荣誉教授大卫·尼尔说。“它可能需要不同的基因变异来适应新的环境。”

早期分析已开始将基因与耐旱性和温度适应性等性状联系起来，但研究人员表示，在将这些基因与性状联系起来并用于指导生态修复之前，还需要开展更严谨的研究来证实这些联系。由于资金有限，这项研究目前处于停滞状态。

单靠保护基因组学无法解决气候变化问题

“这或许有所帮助，但它本身并不能解决问题，”加州大学圣克鲁兹分校环境研究杰出教授凯伦·霍尔说。“当务之急是减少温室气体排放。”

基因组工具或许能帮助某些物种，特别是像红杉这样寿命较长、自身无法快速适应气候变化的物种，但它们也存在局限性。生态系统建立在植物、动物、微生物和真菌之间复杂的相互关系之上。对某一物种进行基因改造或选择，使其具备气候适应性，并不能保证其他众多依赖于该物种的物种也能生存下去。

“你可以通过基因工程改造一些更耐受气候变化的物种吗？当然可以。但这并非生态系统，”霍尔说。“我们不可能通过基因工程来解决气候变化问题。”