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美西钝口螈的保护悖论

Dec 12, 2017 No Comments

美西钝口螈

虽然美西钝口螈居住在世界各地数以千计的实验室和家庭水箱里,但它们正从自然栖息地里消失。

 

 

虽然人工饲养的蝾螈标志性物种——美西钝口螈(axolotl, Ambystoma mexicanum)还是很多,但在其自然栖息地里几乎看不到它们的身影了。这是一个非常严峻的问题。

20世纪90年代后期,当生物学家Luis Zambrano刚开始其职业生涯时,曾设想只要自己离开文明大陆,奔走千里,或许就会在墨西哥尤卡坦半岛(YucatánPeninsula)的一个隐蔽角落里发现新物种。然而事实并非如此,2003年,Zambrano只能在墨西哥城霍奇米尔科(Xochimilco)地区的被污染的、浑浊的运河中计算两栖动物的数目。尽管如此,这个工作仍有其优点:工作地点离家不远、任务轻松,并且研究的是美西钝口螈——墨西哥的特有物种,并且可以说得上是世界上最有名的蝾螈。但在这个项目运作的第一年,Zambrano就迫不及待想结束它,因为他压根儿抓不到什么东西!

但是随着时间的推移,他渐渐找到一些美西钝口螈了。Zambrano的发现让他自己都震惊了,同时也改变了他的职业生涯。1998年,首个可靠的美西钝口螈研究估计,霍奇米尔科每平方公里约有6000只美西钝口螈。现在就职于墨西哥国立自治大学(National Autonomous University of Mexico, UNAM)的Zambrano在2000年发现,这个数字下降到每平方公里大约有1000只美西钝口螈。到了2008年,这个数字下降到了100只/平方公里;今天,由于污染和食肉动物的入侵,该地区每平方公里只有不到35只美西钝口螈。

美西钝口螈在墨西哥城里唯一的自然栖息地是墨西哥城运河,然而在这里它们却濒临灭绝。但是,尽管可能只有几百只美西钝口螈生活在野外,但在全世界的家庭水箱和研究实验室中却可以找到数以万计的美西钝口螈。它们被大量人工繁殖,一些日本餐馆甚至提供油炸美西钝口螈作为特色菜吸引顾客。

英国坎特伯雷市肯特大学(University of Kent)的生态学家、招募Zambrano参与蝾螈项目的Richard Griffiths指出,美西钝口螈是一个完全的保护悖论。它可能是全球在宠物商店和实验室中分布最广泛的两栖类动物,但它们几乎已经在野外灭绝了。

这给生物学家带来了一个难题。由于美西钝口螈具有独特的生理学特征和显著的再生肢体能力,所以它们成为了从组织修复到发育和癌症等多项研究的重要实验室模型。但经过几个世纪的近亲繁殖后,被圈养的美西钝口螈极容易受到疾病侵袭。另外,种群减少导致的蝾螈遗传多样性丧失,意味着科学家们可能无法学习关于蝾螈生物学的所有知识。

随着实验室科学家继续研究圈养蝾螈及其庞大而复杂的基因组,Zambrano等人正在尽全力保护野生美西钝口螈。他们繁殖美西钝口螈,并将其释放到霍奇米尔科(Hochimilco)周围的池塘和运河中,以查看它们是如何生存繁衍的,并希望保留一些自然遗传的多样性。虽然拯救美西钝口螈的任务非常困难,但考虑到动物的顽强性——如果墨西哥政府只参与这个进程——就应该是可行的。

Zambrano指出,他曾在其他地方看到过这种大型动物保护项目。如果其他地区能够做到,为什么他们不能?

 

 

Luis Zambrano2

生物学家Luis Zambrano(左侧坐着的那位)和他的学生在清晨游览墨西哥城霍奇米尔科的运河。

 

 

永不长大的蝾螈

相比于该地区的其它蝾螈目动物,美西钝口螈有所进化。它们沿着墨西哥中部山区的特斯科科湖(Lake Texcoco)湖畔繁衍生息。美西钝口螈具有幼体持续的能力,即成年后仍然可以保持幼体特征。虽然其它蝾螈目动物变成了陆生动物,但美西钝口螈仍然保留着羽毛状的鳃,并终生生活在水里,就好像永长不大一样。

在十三世纪的某个时候,墨西哥人(欧洲人撑起为阿兹特克(Aztecs)人)在Texcoco湖定居。他们建立了一个强大的帝国,首都是位于湖中央岛屿上建造的一个城市。随着帝国的发展,这片土地也在1521年西班牙征服之后迅速扩张。现在,美西钝口螈栖息地的所有遗迹都位于墨西哥城南部的170公里、运河交错纵横的霍奇米尔科地区(图“日渐缩小的自然栖息地”)。

 

 

日渐缩小的自然栖息地

 

如果不是十九世纪末科学家们发现了蝾螈似乎永远保持幼态,并热衷于研究这一特征,蝾螈这一物种恐怕早就由于殖民统治而灭绝了。

去墨西哥的游客把这些外形可爱的生物带回家,并开始繁殖。后来科学家们发现,蝾螈是研究的理想之选:它在实验室中很容易繁殖,生存能力强,且易于照顾。美西钝口螈细胞胞体较大,方便研究者们观察其发育过程。它们的卵细胞几乎比人类大30倍。同时,在美西钝口螈胚胎中,神经板细胞(大脑和脊髓的前体)几乎是人类同类细胞体积的600倍。

另外,虽然人类或其它动物的细胞性状趋于一致,但美西钝口螈各个细胞的色素沉着则差异很大。这可以帮助研究人员追踪哪些胚胎组织发育成哪个器官。然而,美西钝口螈基因组较为庞大——大约是人类的十倍——这可能会使得某些方面的研究较为困难。

美国加州大学尔湾分校(University of California, Irvine)的发育生物学家David Gardiner表示,尽管美西钝口螈并不是一个很好的遗传模式生物,但是它能够再生——这使它成为了一个很棒的生物模型。

在二十世纪初期,美西钝口螈是了解脊椎动物器官如何发育和行使功能的主要模型。科学家们利用美西钝口螈模型发现了人类脊柱裂——一种脊柱形成不良的出生缺陷——的原因。同时,美西钝口螈模型在甲状腺激素的发现上做出了重要贡献:在二十世纪二十年代,科学家们使用家畜的甲状腺喂养美西钝口螈。如果甲状腺组织分泌激素,那么美西钝口螈在食用该组织后会变态发育、腮消失,以及幼时皮肤脱落。

在20世纪80年代,科学家借助美西钝口螈开发了一个模型来研究细胞在胚胎中的定向分化机制。 “细胞状态分离器”(cell state splitter)模型提出,许多干细胞通过在胚胎拉伸的影响下,变成体内的特定组织。科学家们发现,他们可以看到美西钝口螈的细胞在形成组织之前被挤压和拉伸。最近,在2011年,人们发现美西钝口螈卵母细胞提取物可激活肿瘤抑制基因,从而抑制乳腺癌细胞增殖。

但或许美西钝口螈最具吸引力贡献是再生医学。它们在失去四肢、尾巴、器官、眼睛,甚至大脑后仍能重新长出这些器官。许多科学家推测这是因为美西钝口螈具有幼态持续能力,保留了胚胎阶段的某些特征。尽管其它蝾螈目动物即使发育成年,也还具有再生能力。

德国德累斯顿技术大学(Technical University of Dresden)再生研究员Tatiana Sandoval Guzmán指出,几十年来生物学家们一直试图找出这种蝾螈再生能力背后的机制。它们是如何做到的呢?它们有什么机制是人类没有的呢?或者正好相反——哺乳动物体内存在什么机制阻止我们拥有再生能力?

Sandoval Guzmán对骨骼和肌肉再生非常感兴趣,并接管了德累斯顿里一个由来已久的美西钝口螈实验室。作为一个在离霍奇米尔科不远的地方上学的墨西哥国民,她从来没有想过研究这个动物,直到她来到了德国。现在,她深深为这种生物着迷。她发现,美西钝口螈再生的许多机制——例如涉及肌肉—组织干细胞——与人类中发现的那些机制并没有太大的不同。

大多数再生研究的重点是残肢(或残片),这种残肢形成于断肢的伤口。尽管人类的伤口处会被皮肤组织覆盖,而美西钝口螈则将附近的细胞转化为干细胞,并从远处募集其它细胞,聚集在损伤附近。在这个部位,细胞以与胚胎发育一样的形式,形成骨头、皮肤和静脉。每个组织贡献出自己的干细胞,共同完成这一伟大的修复工作。

研究人员发现,一种名为转化生长因子-β(transforming growth factor-β)的蛋白质在美西钝口螈再生,以及防止妊娠头三个月的受伤人类胚胎形成疤痕组织的过程中都起到了关键作用。尽管人类随着年龄的增长会丧失这种能力,但成年小鼠和人类可以再生指尖,
这表明再生能力可能在哺乳动物中被重新唤醒。

Gardiner指出,将来有一天,人类可能也可以再生。他的研究重点不在于重建四肢,而在于治愈瘫痪,生长健康的器官,甚至通过修复受损和磨损的组织来逆转衰老。要开展这些研究,离不开这些模型生物体。

然而到了那一天,野生美西钝口螈可能会消失。这让Gardiner和Sandoval Guzmán感到非常担忧,因为他们研究的动物,像许多实验动物一样,都是高度近亲繁殖的。科学家们使用“近亲繁殖系数”来衡量一个基因库的多少。同卵双胞胎的系数为100%;完全无关的个体的近亲繁殖系数接近零。高于12%,表示一个群体中,其中大多数个体是与它们的表兄弟繁殖,这对于生态学和遗传学都是大问题。十七世纪西班牙著名的哈布斯堡王国,由于近亲结婚,导致王族人口普遍身体素质差,该部分人群的近亲繁殖系数达到20%。而美西钝口螈的平均近交系数为35%。

Gardiner指出,我们目前拥有的这些动物,还没有出大问题,还具有再生能力。但如果继续近亲繁殖下去,就会碰到瓶颈。近亲繁殖的生物更易受疾病侵袭。

美西钝口螈的高度近亲繁殖部分是由于实验室用的蝾螈最初起源于同一批美西钝口螈。1863年,由法国资助的远征队从霍奇米尔科(Xochimilco)带走了34只美西钝口螈,它们引起了整个欧洲博物馆和博物学家的蝾螈繁殖热潮,因此很多实验室的蝾螈都是这34只蝾螈的后代。

1935年,一些美西钝口螈被从波兰实验室带回北美,最终在纽约布法罗大学(University of Buffalo)成为繁殖群。在这里,科学家们带来了一系列的野生美西钝口螈,以增加基因库的基因多样性,甚至一度往基因库中加入了虎纹钝口螈(tiger salamanders,Ambystoma tigrinum)的基因。于是,布法罗大学的蝾螈数目激增,并最终转移到列克星敦的肯塔基大学(University of Kentucky)(现在是全球美西钝口螈育种的中心)。这意味着,现在,除了近亲繁殖种系外,实验室和水族馆里几乎所有的美西钝口螈都部分来自虎纹钝口螈。

肯塔基大学(University of Kentucky)的蝾螈育种项目负责人Randal Voss表示,蝾螈育种确实曾在欧洲遇到了瓶颈,现在再次遇到了瓶颈。该育种中心拥有大约2000个成年蝾螈和3000-5000个幼体蝾螈。

Voss指出,得益于现代遗传学和干细胞研究,美西钝口螈的研究规模正在世界范围内扩大。2015年,他和他的团队发表了一个美西钝口螈基因组的初步图谱,由于其规模庞大,估计大约有320亿个碱基对,这是一项艰巨的任务。但是该图谱并不完整——相对于蝾螈庞大的基因组,Voss团队的运算能力实在有限。数个研究中心的科学家正在努力完善这一图谱。

但是当他们开展这项工作时,近亲繁殖导致的疾病易感性导致该中心的蝾螈大批死亡。科学家担心,如果一个新的传染病开始肆虐全球实验室,那么他们可能就需要放弃美西钝口螈,从而导致研究倒退数年乃至数十年。

更重要的是,没有人能确定实验美西钝口螈与野生美西钝口螈是否存在太大的差距,以致于它们已经丢失了再生能力。SandovalGuzmán指出,或许研究野生美西钝口螈种群,你会发现一个不同的再生机制或基因。失去遗传多样性,对科学界来说,是一个重大损失。

 

畸形蝾螈

Arturo Vergara Iglesias盯着一箱懒洋洋地爬着的美西钝口螈表示,他并不确定实验美西钝口螈和野生美西钝口螈有多大差别,但肯塔基中心的美西钝口螈确实有一些差异。这些蝾螈有很多畸形,例如,经常出现脚趾增多。

Vergara Iglesias是生物和水产养殖研究中心(Centre for Biological and Aquaculture Research, CIBAC)的一名生物学家,CIBAC是一个靠近霍奇米尔科的美西钝口螈育种中心,希望保存一些野生品系的蝾螈。在这里,他培育了自己的野生美西钝口螈,出售给实验室和宠物经销商。他的育种地点是一个传统的霍奇米尔科水上园圃,原来是游客参观学习蝾螈的景点。这里的蝾螈和他卖的蝾螈,都是由距离此处不远的水域中打捞的32个蝾螈杂交得到的。在墨西哥,美西钝口螈是珍贵的宠物,是民族自豪感的源泉。这是墨西哥无数纪念品的主题,甚至是墨西哥城的官方表情符号。

科学家们很难确切地知道野外到底还有多少美西钝口螈。Zambrano猜测,在他上次的调查中,2014年美西钝口螈总数不到1000只,可能还不到500只。但他无法给出更具体的数字——在过去的两年里,他无法筹集资金去做任何后续研究。他甚至没能为简单的蝾螈数目普查获得资金,这对于保护工作来说并不是一个好兆头。

Zambrano指出,为了拯救野生美西钝口螈,决策者必须解决两大威胁。第一个是非本地鱼,如鲤鱼(Cyprinus carpio, Cyprinus carpio)和罗非鱼(Oreochromis niloticus, Oreochromis niloticus)。具有讽刺意味的是,这些鱼经由联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations)的计划在二十世纪七十年代和八十年代被引入霍奇米尔科,旨在使更多的蛋白质进入当地饮食。Zambrano认为,他已经绘制了美西钝口螈的分布图。他设想雇佣一个当地的渔民团队不断地打捞,清除这些非本地鱼。虽然这并不能捕获所有的非本地鱼,但几十万美元可能会给美西钝口螈一个重建自我的窗口。他的研究结果显示,美西钝口螈是最脆弱的,当它们是卵或是幼体时,它们很难躲避其它鱼的捕杀。但如果美西钝口螈数目超过一定规模,该种族可能就会日益壮大。

第二个威胁更棘手。每当一场强劲的风暴冲入城市老化的下水道系统时,处理设施将人类废物排放到霍奇米尔科运河,这些废物携带氨、重金属和其它有毒化学物质。部分毒性物质可以透过两栖动物的高渗透性皮肤,在其体内积累。这证明了在野外生存的蝾螈的顽强。

虽然这些都是非常复杂的问题,但并不是无法解决的。然而到目前为止,还没有一个大型的旨在挽救野生美西钝口螈的项目。2013年,CIBAC发布了几千个美西钝口螈行为研究;其中一些幸存下来,甚至似乎在第二年繁殖。这表明,如果实验室繁殖的蝾螈达到一定规模,那么就可能能够在野外繁殖。但生物学家警告说,这并不意味着应该开始将实验室蝾螈投放到运河中。

Griffiths指出,在清除非本地鱼的威胁之前,把实验室蝾螈释放到野外毫无意义。你可能只是增加了其它鱼的食物。

2000年,当Griffiths最开始在霍奇米尔科开始工作时,他的计划是制定一个旨在将美西钝口螈放到野外的育种计划。但是,当他和他的墨西哥伙伴看到生态系统的状况后,很快就放弃了这个想法。这个生态系统受到了污染,而且充满了食肉动物。把美西钝口螈投喂给食肉动物,毫无意义。成功的再次将蝾螈,如英国莱桑池蛙(pool frog, Pelophylax lessonae),或美洲大鲵(hellbender salamander, Cryptobranchus alleganiensis)引入美国,需要把生态系统作为一个整体进行管理,并与社区合作。

Zambrano表示,如果我们每年有一百万美元,然后维持十年,我们就可以拯救霍奇米尔科。这个数目与整个城市的开销相比,不值一提。

10月的一个下午,Zambrano和一群志愿者聚集在墨西哥国立自治大学(National Autonomous University of Mexico, UNAM)校园附近的池塘里,将十只实验室饲养的野生美西钝口螈放到一个受保护的池塘里。如果它们能够存活下来,并繁衍后代,那么未来可能作为蝾螈基因库的一个宝贵来源。在这两年里,Zambrano已经开始零星地释放和追踪动物,以了解它们的行为和栖息地偏好。他的工作到目前为止表明,蝾螈喜欢相当脏的池塘,而不是干净的池塘——另一个迹象表明,如果其它压力被剔除,美西钝口螈种族在霍希米尔科仍然会逐步扩大。同样,CIBAC正在培育野生型美西钝口螈,以努力保护蝾螈的遗传多样性。但是,大多数研究人员说,如果没有合适的栖息地,美西钝口螈在野外的灭绝可能是不可避免的。

Zambrano表示,抱着这种想法,他会特别沮丧。他的看法不一样——他正在尽他所能来防止这种情况发生。

 

 


原文检索:
Erik Vance. (2017)The axolotl paradox. Nature, 551: 286-289. 
张洁/编译

 

 

 

百态
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