反向发育生物学-已灭绝动物再生策略探究

史前动物再生策略探究以猛犸象为例作 者 姓 名 学 院 名 称 政府管理学院专 业 名 称 人力资源管理课 程 名 称 反向发育生物学单 位 北京师范大学学 号 日 期 2016 年 12 月I摘 要一直以来，人们对史前动物有种深深的着迷。而随着科技发展，再生史前动物已经成了现在生物学中火热的研究方向。侏罗纪公园，生物学家们从琥珀中保存完好的蚊子里，找到了恐龙的DNA从而复活出了恐龙。在现实中，虽然这种方法很难实现，但我们仍能通过类似的方法来达到人们的的梦想史前动物再生。古生物学家普遍认为，地球上目前发生过五次物种大灭绝，使这些史前动物只能活在我们的想象中。科学家们认为，造成这五次物种灭绝的原因有多种，例如天气寒冷、地质改变、氧气稀缺、火山喷发或者小行星撞地球等。而第六次物种灭绝，就出现在现在。在人类一步步霸占地球的同时，有越来越多的动物正在面临灭绝。所以，在今天，究竟有什么方法能够再生灭绝动物呢？本课题就以复活猛犸象为例，对古生物再生策略进行探究。虽然再生猛犸象困难重重，但基于科学技术以及猛犸象与现存象的基因高度相似，我们可以通过三种不同方法复活猛犸象。方法一，用猛犸象精子为亚洲象进行体外受精。方法二，通过冰冻的猛犸体细胞进行克隆。方法三，通过完整的猛犸象基因序列进行克隆。有生态学家预测，从现在开始，用不了万年，地球上的物种灭绝就会达到一个毁灭性的程度。因此在灭绝速度极剧加快的今天，重要的不仅仅是用科技手段复活古生物，更是需要每个人的努力去保护现存的物种。双管齐下，才能使我们更好的研究动物进化历程，更好的保护属于我们的地球。关键词：猛犸象 史前动物 物种灭绝 基因序列 克隆 体外受精II正 文摘要中已经提到，再生猛犸象有三种方法。方法一，用猛犸象精子为亚洲象进行体外受精。可以从冻土中猛犸象遗骸中提取猛犸象精子，使其与亚洲象卵子进行体外受精。再将受精卵移植到亚洲象体内，得到猛犸象与亚洲象的混血种。最后通过杂交选育一步步得到接近纯种的猛犸象。方法二，通过冰冻的猛犸体细胞进行克隆。从冰冻的猛犸象遗骸中提取细胞核，将其植入到亚洲象的去核卵细胞中，再通过化学药剂或电刺激使其开始分裂与分化，并将它植入母象子宫中孕育出小猛犸象。本课题主要研究第三种方法，通过完整的猛犸象基因序列进行克隆。（一）DNA测序在冻土中挖掘较为完整的猛犸象骨头、牙齿、皮肤、毛发等，对其进行DNA测序，得到尽可能多的DNA。但该步骤中有一大难点，即何提取没有发生质变和损伤的DNA。由于环境中的化学物质和其它生物分子的影响，单个核苷酸可能会在漫长的年代中发生破碎、损坏等，并在一定程度上改变了分子结构，使DNA测序不能得到正确的结果。且由于基因组所包含的碱基数目多（猛犸象大概有超过40亿个碱基对）且长期保存中易被其他生物DNA污染，这些都给DNA测序带来了极大困难。（二）补充缺断由于从猛犸象骨头及其他部分遗骸中获得的DNA序列数量有限，且这些DNA序列往往很短（为30-90个碱基对的长度）且带有损伤，我们就需要对这些片段进行补充和处理。缺失的基因可能分为两部分：猛犸象特有的和象类共有的基因片段。首先解决较为容易的：象类共有的基因片段。从线粒体DNA序列比较中得知，猛犸象与亚洲象的关系更密切，基因序列相似度更到，但由于目前为止，只有非洲象的核基因被重建了，因此猛犸象中象类共有的基因片段可以从非洲象基因组中获得。其次是猛犸象特有的基因片段，可以通过基因改造的方法实现。我们设计实验去改变大象基因组，一次只改变少数几个碱基，直到使这个大象基因组看起来更像猛犸象的基因组，并表达出与猛犸象更相似的性状。猛犸象与现存大象基因中大概有40万处不同，科学家需要一一对这些不同的碱基序列进行修改。但由于这些不同处太多，难以完成。我们可以先确定出差异最为重要的，来一定程度上缩小需要改变的范围。例如控制体温调节、毛发长短、皮下脂肪、耐寒血红蛋白的那些基因。比如，猛犸象与现存大象相比，拥有被称为Ucp1*的不同拷贝，实验显示Ucp1分子参与体温调节，从而使猛犸象能生活在非常寒冷的冻原地带。为了修改Ucp1基因上的那个点，我们可以构建一个分子工具并使其进入大象细胞，搜寻Ucp1基因上的特定序列，进行修改和编辑，使它成为猛犸象中的版本（三）组装为细胞核最后把这些基因片段，与现存大象中的DNA序列做对比，确定出猛犸象的基因排列顺序，将这些小片段组装成完整的猛犸象基因组。但做到这点并非易事，因为到现在为止，科学家合成过的最长DNA也不过58万个碱基对，而猛犸象基因组中有超过40亿个碱基对，56条染色体，困难程度可想而知。在合成DNA之后、创建染色体之后还需要将染色体缠绕成细胞核，难度更为加大。（四）获得胚细胞利用山中伸弥与约翰格登关于有道出多能干细胞（iPSC）的发现，可以使猛犸象遗骸中的皮肤细胞去分化，重新编码为胚细胞。1950-1960年，牛津大学的约翰格登观察发现，蛙卵细胞即使在去核并用体细胞的核取代情况下，仍能够正常发育成青蛙，关键为卵会引起体细胞去分化。而山中伸弥之后发现，由于卵所引起的体细胞去分化在体外也可以诱导产生，因此2012年，两人一起因研究诱导多能干细胞（iPSC）获得了诺贝尔奖。我们可以利用这个技术，在实验室中将现生大象皮肤细胞转入相关因子使其变为多功能干细胞，并重新编码为胚细胞，并将合成好的猛犸象细胞核导入到去核的胚细胞中。（五）移植到子宫，顺利发育通过化学试剂或电刺激使胚细胞开始分裂、分化，并形成胚胎细胞。将胚胎移植到代孕母亲的子宫中，使胚胎在其中继续发育。在这其中，也存在一些问题。首先我们必须保证在代孕过程中不产生过于强烈的排斥反应。因为对于移植到体内的胚胎，母体势必会产生排斥反应。猛犸象胚胎有可能会在各个器官形成前就被母体处理掉。而且还要保证代孕母亲的遗传组成不会影响经过我们改变的基因的表达，代孕母亲的饮食、激素和压力水平不会改变发育环境，不影响相关基因的转录及表达。处理好这些问题，就能使猛犸象胚胎在子宫中顺利发育直至出生。（六）复活猛犸象的争议与意义克隆技术一直在被伦理争议包围着，史前生物的复活自然也是备受争议。有人质疑新出生的小猛犸象要如何度过它的一生。以这种基因工程复活出的猛犸象，它基因上必定存在着缺陷。让它在冰冷的实验室中度过一生是否是一种不负责任的行为？而如果我们获得了一个猛犸象种群，是应该将他们放到公园里展览还是放归自然界。这两种方案都有不成熟的地方：复活一个灭绝物种再放到公园作为旅游景点显然是不道德的，但如果将猛犸象种群放归野外呢？首先曾经猛犸象统治的苔原地形在如今地球上任何地方都找不到，其次，灭绝动物的复活无形中给现有的生物链和自然资源带来了破坏。可能会影响生态平衡，甚至带回病毒和病原体，导致其他生物的减少或灭绝。不过，如果能通过克隆技术来复活史前动物，对于拯救濒危动物来说也是一大突破。有专家称，克隆技术可能是使濒危物种得以延续种族的唯一希望。除了这方面，复活已灭绝动物在各个领域都有潜在意义。它能帮助我们了解动物进化的进程以及各物种之间的亲缘关系，也使我们可以进一步探索动物灭绝的原因。同时，复活已灭绝动物还能够恢复生态多样性、推进科学研究、治愈有缺陷动物。在现代科学的帮助下，减轻人类所犯下的罪过。总结与展望本课题探讨了复活史前动物的三种方法，并对第三种方法做了较为深入的分析。除了科学层面的方法，本课题还研究了对于复活猛犸象等已灭绝动物的道德和伦理争议，明确了这项技术带来的问题和意义。但是相较于复活已灭绝动物，人类更应该在保护现存物种上下更大的功夫。如何防止更多的濒危动物在极具加快的灭绝速度中消失，不仅需要科学技术的后盾，更需要每个人的努力。从科技方面来讲，我们需要尽快采集濒危物种的DNA样本，做到有备无患。参考文献贝丝夏匹罗. 复活猛犸象:一个古DNA科学家的探索M. 上海科学技术出版社, 2016.朱蒂. 猛犸象复活不是梦J. 发明与创新:学生版, 2006(10):6-7.章磊. 基因技术试图让猛犸复活J. 发明与创新:综合版, 2008(2):41-41.中国网. “复活”灭绝动物可行吗J. 科学之友旬刊, 2013(10):14-15.徐冰. 再现“侏罗纪”,灭绝动物复活不是梦J. 初中生学习:高, 2013(9):36-37.佚名. 猛犸象复活之梦美国科学杂志编辑理查德斯通访谈录J. 大自然探索, 2007(3):30-31.佚名. 日本科学家希