DNA揭示猫的世系图千万年前洲际大迁移

DNA揭示猫的世系图千万年前洲际大迁移

　　

        留在野生猫科动物DNA中的“基因组爪印”清楚地展示了猫科动物之间的亲缘关系，也揭示了它们过去的几次重大迁移。    ;        

 

        猫科动物，神秘而优雅。它们不仅惹主人怜爱，也同样引起了那些试图破解它的起源和进化过程的科学家们的强烈兴趣。现代猫科动物从何进化而来？又因为什么原因、在什么时候离开发祥地，迁移到其他大陆的呢？猫科动物有多少种类？它们之间的亲缘关系又如何？  

 

        虽然专家们普遍认为猫科动物有37种，但他们对这些种的分类却大相径庭：有人认为猫科只有两个属，也有人认为是23个属。除去皮毛，猫科动物之间的区别非常细微。即使对专家来说，要区分狮子和老虎的头盖骨也是一件颇具挑战的任务。过去20年，我们所进行的遗传研究，也没能成功地对这些猫科动物进行明确的分类。  

 

        近年来，在对多种生物基因组测序的领域，以人类基因组计划以及高新的DNA探测技术为先锋，掀起了一场技术革命。正是这场革命为猫科动物的分类提供了一些非常有价值的方法。现在，我们利用这些新技术，在其他研究所同事的协助下，第一次构建出清晰明了的猫科动物世系图。我们比较了现存猫科物种的30种基因的确切DNA序列，确定了世系图中的分支。接着，我们利用有确切年份的化石以及“分子钟”检测（这种检测方法根据特定基因之间的差异程度，来估计一个物种与另一个物种进化分离的时间），获知每个分支形成的时间。研究结果第一次向我们明确展示了不同大小猫科动物之间的亲缘关系，并使我们了解这些顶级捕食者是在什么时候、通过什么方式迁移到世界各地的。

 

　　进化次序        

 

        通过基因组测序，猫科动物的种系被成功划分出来，但它们的发源地是哪里？他们目前又生活在什么地方？化石记录将告诉我们答案。  

 

        我们首先注意到的是，DNA研究将这37种猫科动物划分成了8个不同的集群，即种系（lineage）。令我们欢欣鼓舞的是，我们发现这8个仅仅依据分子检测结果所划分出来的种系，与其他的观察结果一致。同一种系的物种通常具有这个种群所独有的形态学、生物学及生理学特征。举例来说，其中一个种系包括了所有的大型啸猫（狮子、老虎、豹、美洲豹和雪豹）。该种系的动物能够咆哮，是因为颈部支持舌头的舌骨没有完全骨化。这个种系还包括鲜为人知的、具有美丽斑纹的中型猫科动物——云豹和婆罗洲云豹。这两种云豹因颈部不同的骨骼构造而不能咆哮。  

 

        对基因序列的比对，成功将猫科动物划分成了不同的种系，并揭示了这些种系出现的先后次序。此外，借助化石校准，我们还确定了这些种系各自出现的时间。不过我们还需要另外两种信息才能完善我们的推测，找出这些猫科动物的发源地，了解它们目前在地球上分布情况是如何形成的。            

 

        首先，我们确定了每一种猫科动物目前的分布情况，以及它们祖先的化石遗迹出现的地点。接着，我们又以地质学家的视角，来看待这个猫科动物的世界。地质学家根据沉积物的组成来推断海平面的起落。当海平面下降时，陆桥将各个大陆连接起来，哺乳动物就能迁移到新的区域。当海平面再次回升时，各个大陆上的动物就又一次被隔离开来。脊椎动物研究显示，大陆或岛屿之间的这种隔离，正好为一个种群的基因漂移和最终形成新物种提供了所需的条件。当基因漂移的程度足够大，使得该种群不再能与先前的亲缘种群的后代交配繁殖时，生殖隔离就出现了——这正是新物种形成的标志。有了这些认识，我们就能为猫科动物在历史上的迁移，构建一条合理的路线。            

 

        根据化石记录，研究者大多认为，900万年前~2,000万年前生活在欧洲大陆的一种被称为假猫（Pseudaelurus）的猫科动物是现代猫科动物最近的共同祖先［假猫并非地球上出现的第一种猫，一种被称为猎猫（nimravids）的大型剑齿猫在3,500万年前就出现了，但它们的后代几乎全都灭绝了］。然而，我们最近的分子研究却显示，所有的现代猫科动物都起源于一种1,100万年前生活在亚洲的假猫。虽然还不能肯定这种始祖猫具体是哪一个物种，但我们认为现今37种猫科动物的“亚当和夏娃”就产生于这个远古的种群。  

 

　　洲际大迁移            

 

        800万年前~1,000万年前，狞猫系就开始了第一次洲际大迁移，随着猫群的繁盛，它们已不满足现有的领地，抓住机会从亚洲逐渐迁往非洲、北美洲，直至南美洲。            

 

        大约在1,080万年前，第一个种群从这种神秘的亚洲始祖猫中分化出来，形成了包括现在的大型啸猫和两种云豹的豹系（panthera  lineage）（1）第二次分支也发生在亚洲，大约是在这之后140万年。这一次分支产生了婆罗洲金猫系（Bornean  bay  cat  lineage）（2），由3种现在仍然生活在东南亚的小型猫科动物组成。紧接下来，原始种群中又一次分支形成了狞猫系（caracal  lineage）（3）。今天，3种中型猫科动物成为狞猫系的代表物种，它们祖先在800万年前~1,000万年前，进行了第一次洲际迁移，进入了非洲。那个时期的海平面比现在的海平面低60米，非洲与阿拉伯半岛由红海一端的陆桥连接起来，大大方便了这次猫科动物向非洲的迁移。            

 

        猫科动物要求后代分散生活，这种固有的行为模式引发了它们的迁移。一旦到了青春期，年轻的雄性（有时也可能是雌性）就会被迫让出出生地。这样，随着时间推移，不断增长的猫群就需要越来越大的领地。这种扩张领地的行为以及追踪迁移猎物的压力，也许可以解释猫科动物远距离迁移的动机。同时，它们还是极其熟练的捕食者，一旦机会出现，它们就会迅速探索新的区域，能成功地迁入其他地域也就不足为奇了。            

 

        亚洲猫科动物在迁入非洲的同时，也开始通过白令陆桥进入阿拉斯加。当这些猫科动物在亚洲、欧洲、非洲和北美大陆上徜徉时，海平面又开始回升，各个大陆再次隔离开来。随着环境的改变，一些新的物种逐渐形成了。在北美洲，虎猫系（ocelot  lineage）（4）和猞猁系（lynx  lineage）（5）分别在800万年前和720万年前，从原先迁移至此的种群中分离出来。虎猫系最终形成了两个物种，而猞猁系则产生了4个物种：3种猞猁和北美大山猫；670万年前，美洲狮系（puma  lineage）（6）分化形成，并产生了美洲狮、细腰猫以及美洲猎豹。在美洲矿床中，所有这些物种的化石遗迹都明确地显示，它们起源于西半球。            

 

        大约200万年前~300万年前，新的冰河期导致海平面又一次降低，再加上大陆板块的漂移，两块美洲大陆由巴拿马地峡连接起来。一些猫科动物抓住了这个机会向南迁移，来到了一块没有胎生哺乳动物（如熊、狗、猫和臭鼬等动物）的大陆。当时，南美洲已经与北美洲分隔了上千万年，这里生活着大量有袋类动物，还包括了许多成功的肉食性动物。当动作迅速、灵巧、凶猛、致命的大型猫科动物经由巴拿马地峡到达这里时，它们立刻就成了这里的终极捕食者，那些“温顺”的有袋类食肉动物完全不是它们的对手。很快，几乎所有的常驻有袋类动物都被这群新迁入的肉食性动物所取代。虎猫系的猫科动物更是在它们新家，进一步分化产生了7个不同的物种，并在南美洲一直生活到今天。  

 

        大约12，000年前，随着最后一个冰河期的消退，覆盖在今天加拿大和美国北部的大冰原也逐渐融化，这片荒芜的土地变成了森林和草原。冰雪融化之后，一场大洪水让40种哺乳动物突然从北美大陆上消失了——更新世物种灭绝（Pleistocene  extinction）使生活在那里的75%的大型动物消失了。猛犸（mammoth）、乳齿象（mastodon）、恐狼（dire  wolf）、巨型短面熊（massive  short-faced  bear）、巨型地懒（giant  ground  sloth）、古美洲狮（American  lion）、剑齿猫（Saber-toothed  cats）、美洲狮（puma）以及猎豹（cheetah）都从北美大陆上消失了。猎豹逃脱了灭绝的命运，是因为几百万年前海平面降低的时候，它们的一部分祖先回到了亚洲，然后进入了非洲。美洲豹则是在南美洲的避难地躲过了这场灭顶之灾，并在许多代之后重返北美洲。而其他物种都永远地从地球上消失了。（《环球科学》2007年第8期  撰文  斯蒂芬·J·奥布赖恩（Stephen  J.  O’Brien）沃伦·E·约翰逊（Warren  E.  Johnson）翻译  赵瑾）