科學家給蝴蝶拍“基因身份證”，破解2.5億年生命密碼

清晨，在阿爾卑斯山海拔 2,300 米的臺地上，寒意籠罩著石屋。壁爐里的火發出低低的嘶聲，年輕的昆蟲學家們圍坐在一張木桌旁，用意大利語、西班牙語和英語交錯地爭論著昨夜的收獲——一群被裝在塑料罐里的蝴蝶。

圖 | 昆蟲學家們捉回的蝴蝶（來源：IEEE Spectrum）

這間建于 1901 年的阿爾特·普福爾茨海默山舍，是“Project Psyche”（心靈計劃）第一次國際實地科考的臨時指揮部。來自捷克科學院、西班牙奧維耶多大學和英國威康·桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）的研究者，在這里展開一場并不浪漫的“追蝶行動”，準確來說，是追捕鱗翅目（Lepidoptera）的昆蟲，包括蝴蝶和蛾類。

圖 | 阿爾特·普福爾茨海默山舍（來源：IEEE Spectrum）

這場行動的目標，是為歐洲所有11,000 種蝴蝶和蛾類繪制完整的基因組圖譜，即進行基因測序。這既是“達爾文生命之樹計劃”（Darwin Tree of Life Project）的一部分，也隸屬于更龐大的“地球生命基因組計劃”（Earth BioGenome Project，簡稱 EBP）。這項計劃試圖在 2035 年前解碼地球上所有 180 萬種命名物種的基因。

在這個時代，測序基因已不再困難。二十年前，一條人類基因組的成本超過 10 億美元，而如今，用不到 1,000 美元、一天時間便能完成一個生物的全基因測序。桑格研究所的研究員夏洛特·賴特（Charlotte Wright）說，這不僅是科技的勝利，更是生物學重新理解生命多樣性的機會。

Project Psyche 的主要測序對象——鱗翅目，出現于 2.5 億至 3 億年前，如今已演化出 18 萬多個物種，是地球上數量最多、分化最廣的昆蟲類群之一。通過對比不同種類的基因組，科學家能夠追溯它們如何在冰河期、干旱與森林演替中生存、分化，并揭示為何某些支系能在相似的環境下爆發出更高的物種多樣性。

對鱗翅目演化史的興趣，源于一個看似矛盾的發現：在表型上極度多樣的蝴蝶與蛾子，其染色體結構竟然幾乎未變。據 2024 年發表在 Nature Ecology & Evolution 的報告顯示，研究團隊比較了 200 多個高質量基因組后發現，現代鱗翅目動物的染色體可以追溯至 32 個古老的“梅里安元素”（Merian elements）。這個元素以 17 世紀昆蟲學先驅瑪麗亞·梅里安命名。自它們最后一次共同祖先出現以來，超過 2.5 億年間，這 32 個遺傳元素幾乎未被打亂。

這種驚人的穩定性似乎有些反直覺：若染色體長期不變，物種多樣性為何反而越來越豐富？

對此，桑格研究所主任馬克·布萊克斯特（Mark Blaxter）解釋說：“或許正是這種穩定，促成了多樣化。它不限制演化，而是為變異提供了穩定的支架?！钡泊嬖谏贁蹬涯嬲摺缢{蝴蝶屬（Lysandra）與白蝶屬（Pieris），它們的染色體經歷了劇烈的融合與裂變。研究這些特例或許能從另一個角度揭示基因組重排如何推動演化。

圖 | 藍蝴蝶屬與白蝶屬（來源：Wikipedia）

Project Psyche 的現場采樣，是這些研究的源頭。每一只昆蟲都被編號、冷凍、解剖：頭、胸和腹部分裝在液氮冷藏的樣管中，隨即送往英國的基因測序中心?；蚪M數據會被進一步拆解，然后拼接和注釋。賴特解釋說：“采樣只是開始。我們要確定每條染色體上成千上萬的基因位置和功能。這需要強大的算法和漫長的人工校驗。”目前，全球范圍內的基因注釋仍是地球生命基因組計劃最耗時的瓶頸之一。

不過，一項新技術正在加速這一過程。西班牙和安道爾的研究團隊在 2024 年率先用長讀 RNA 測序繪制了紫銅蝶（Lycaena helle）的完整轉錄圖譜。這項研究由巴塞羅那基因組分析中心（CNAG）主導，揭示了 20,122 個蛋白編碼基因和 4264 個非編碼基因的位置。非編碼基因往往難以通過計算預測，但它們在調控、保護和細胞應激反應中扮演關鍵角色。長期以來，它們被忽視——直到長讀長測序技術讓這些基因真正現身。

該團隊的進一步研究甚至在人類基因組中識別出 18,000 個此前未知的非編碼基因，為 25 年來的人類基因圖譜填補了空白。桑格研究所計劃將這項技術納入 Psyche 與“生命之樹”項目，以更精準地標注蝴蝶和蛾類的遺傳圖譜。

然而真正的挑戰還在微觀世界。體長不足幾毫米的“微蛾”（micromoths）數量龐大、外形近似，常令資深分類學家也無從辨認。瑞典隆德大學的尼克拉斯·瓦爾伯格（Niklas Wahlberg）笑稱：“我們有 99% 的歐洲鱗翅目物種擁有 DNA 條形碼，但真正讓人頭疼的是那 1% 的疑難雜癥?！皸l形碼技術利用線粒體基因 CO1 的變異特征來區分物種，如今已能在 100–800 個堿基對的片段上快速完成鑒定。這項由加拿大科學家保羅·赫伯特（Paul Hebert）在 2000 年代初發明的技術，如今已成為 Project Psyche 辨識微蛾的關鍵工具。

除了科學價值，這一系列研究也具有深刻的生態現實意義。蝴蝶和蛾類既是生態系統中重要的授粉者與草食者，也是氣候變化的天然指示器。賴特指出，隨著氣溫上升與棲息地遷移，害蟲正進入新的農作區，造成巨額經濟損失。理解它們的基因組，有助于預測哪些種群具備氣候適應型基因，從而提前應對農業風險。

根據桑格研究所最新的報告，至今歐洲已有 1,716 種鱗翅目樣本被采集，其中 1073 種完成測序。Project Psyche 計劃在 2030 年前實現 11,000 種的全覆蓋。作為全球 EBP 框架的一環，這將使鱗翅目成為地球上基因組數據最完備的昆蟲類群。

圖 | Project Psyche 計劃進度（來源：GoaT）

盡管目標宏大，科學家們的工作環境卻異常樸素：一個山洞、一盞燈、幾張桌子、有時甚至沒有網絡。

圖 | 科學家們在凌晨檢查蛾類樣本（來源：IEEE Spectrum）

布萊克斯特常在團隊會議上提醒年輕研究員：“我們在做的不只是測序，而是在為地球的生物檔案建立第一份原始文獻。”每一次基因圖譜的顯影，都是它們在數字世界的生命延續。

1.https://spectrum.ieee.org/lepidoptera-genome-sequencing

2.https://www.projectpsyche.org/

3.https://goat.genomehubs.org/projects/PSYCHE

運營/排版：何晨龍