蜜蜂最近成為了第三種加入基因組測(cè)序俱樂部的昆蟲。
這讓科學(xué)家得以一窺蜜蜂社會(huì)令人驚嘆的秘密，并有助于揭開蜜蜂的身世之謎。
環(huán)球在線消息：自從人類基因組工程進(jìn)入收尾階段，隨著測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的生物加入了基因組測(cè)序俱樂部。從病毒到楊樹再到小鼠和黑猩猩，越來(lái)越多的基因組序列為科學(xué)家提供了珍貴的信息，這也讓關(guān)于基因組測(cè)序的新聞變得不那么引人注目了。
如果說(shuō)人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)之初曾經(jīng)被比作生物學(xué)的登月計(jì)劃，那么今天一種生物基因組測(cè)序的完成可能不過(guò)是一次普通的太空旅行。但是，上個(gè)月科學(xué)家公布的一種生物的基因組序列似乎有著不同尋常的意義，盡管這個(gè)故事的主角——蜜蜂——似乎微不足道。
2002年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院把西方蜜蜂(Apis mellifera)列入了優(yōu)先測(cè)序的物種名單。2004年，第一份蜜蜂基因組的草圖公布。在今年10月26日出版的《自然》雜志上，來(lái)自13個(gè)國(guó)家數(shù)十個(gè)科研機(jī)構(gòu)的將近200名科學(xué)家組成的蜜蜂基因組測(cè)序聯(lián)盟，公布了他們對(duì)蜜蜂基因組的測(cè)序結(jié)果和分析。
這組科學(xué)家用4年的時(shí)間，測(cè)定了這個(gè)擁有約2.36億個(gè)堿基對(duì)的蜜蜂基因組(相當(dāng)于人類基因組的不到1／10)，一共辨別出了超過(guò)1萬(wàn)個(gè)基因。在蜜蜂基因組測(cè)序的基礎(chǔ)上，科學(xué)家已經(jīng)對(duì)蜜蜂進(jìn)行了多項(xiàng)研究。
在同一周出版的《科學(xué)》、《美國(guó)科學(xué)院學(xué)報(bào)》和《基因組研究》雜志上，分別發(fā)表了數(shù)篇相關(guān)研究的論文，涉及蜜蜂的進(jìn)化歷史、生理特點(diǎn)以及社會(huì)行為。蜜蜂基因組測(cè)序負(fù)責(zé)人之一、美國(guó)休斯敦貝勒醫(yī)學(xué)院的喬治·韋恩斯托克(George Weinstock)對(duì)《科學(xué)》雜志說(shuō)，對(duì)蜜蜂社會(huì)行為的理解才是蜜蜂基因組測(cè)序的最大回報(bào)。
從非洲起飛
人類和蜜蜂互動(dòng)的歷史至少可以追溯到數(shù)千年前。在距今7000年前的巖洞壁畫上，可以看到人類從野生蜂巢中收集蜂蜜的場(chǎng)景。蜜蜂的馴化給人類帶來(lái)了許多好處，最直接的就是蜂蜜這種可口的食物。此外，由于蜜蜂是一種授粉昆蟲，它對(duì)于人類的農(nóng)業(yè)也有重要的意義。
但是蜜蜂起源于何時(shí)何地？此前學(xué)者大多認(rèn)為蜜蜂起源于亞洲。美國(guó)生物學(xué)家E·O·威爾遜(E.O.Wilson)在30多年前提出：非洲是蜜蜂的故鄉(xiāng)，這個(gè)理論直到今天才得到驗(yàn)證。憑借新的蜜蜂基因組，美國(guó)伊利諾依大學(xué)香檳分校的生物學(xué)家查爾斯·維特菲爾德(Charles Whitfield)和他的同事追蹤了蜜蜂的身世。他們分析了蜜蜂基因組的1000多個(gè)單核苷酸多態(tài)現(xiàn)象(DNA上單個(gè)“字母”的突變)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蜜蜂曾經(jīng)兩次“走出非洲”——恰如人類起源于非洲然后逐漸遷徙到歐亞大陸和美洲大陸。
他們發(fā)現(xiàn)，一股蜜蜂移民從非洲進(jìn)入西班牙，然后遷徙到了中歐和俄羅斯，另一股蜜蜂移民則從非洲來(lái)到了南歐地區(qū)，然后進(jìn)入了亞洲。這兩個(gè)蜜蜂群體雖然同在歐洲，它們的親緣關(guān)系卻較遠(yuǎn)。
蜜蜂傳入美洲大陸則是在較為晚近的時(shí)候，最早可追溯到17世紀(jì)早期。50年前的1956年，南美洲的巴西引入了一種非洲蜜蜂——就是后來(lái)著名的“殺人蜂”。這些非洲蜜蜂逐漸取代了當(dāng)?shù)氐摹皻W洲”蜜蜂，成為第三次“走出非洲”的蜜蜂。
在今年10月6日出版的《美國(guó)科學(xué)院學(xué)報(bào)》上，美國(guó)康奈爾大學(xué)的蜜蜂專家布萊恩·丹福斯(Bryan Danforth)等人公布了他們對(duì)于蜜蜂家譜的研究成果。在比較了蜜蜂的5個(gè)基因和數(shù)十種野蜂和胡蜂的對(duì)應(yīng)基因后，他們發(fā)現(xiàn)蜜蜂最有可能起源于非洲。
蜜蜂更早的身世還有待科學(xué)家探索。至少，科學(xué)家已經(jīng)排列出了蜜蜂同其他膜翅目昆蟲的進(jìn)化樹(也就大致確定了這些昆蟲之間親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近)，這項(xiàng)成果發(fā)表在今年11月出版的《基因組研究》雜志上。
此外，科學(xué)家還在10月27日出版的《科學(xué)》雜志上報(bào)告了他們發(fā)現(xiàn)的一塊來(lái)自緬甸的野蜂琥珀化石——這塊年齡大約1億年的琥珀中包裹著一只野蜂?？茖W(xué)家從這個(gè)野蜂化石中發(fā)現(xiàn)了它用于采集花粉的身體結(jié)構(gòu)——這顯示出蜜蜂從以其他動(dòng)物為食的捕食者進(jìn)化成了授粉者。這樣，蜜蜂的起源可以一直追溯到恐龍時(shí)代。
社會(huì)的意義
在蜜蜂加入基因組測(cè)序俱樂部之前，這個(gè)俱樂部已經(jīng)有了兩位昆蟲成員：果蠅和一種按蚊。很顯然，科學(xué)家有很好的理由要求測(cè)出這兩種昆蟲的基因組序列。果蠅是遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室最常用的實(shí)驗(yàn)生物之一，科學(xué)家稱之為模式生物。測(cè)出果蠅的基因組可以讓科學(xué)家更好地操縱這個(gè)“模型”。按蚊的基因組測(cè)序帶有人道主義色彩，因?yàn)榘次檬钳懠驳膫鞑ッ浇?。在非洲每年有?shù)千萬(wàn)人感染瘧疾，其危害不亞于艾滋病。測(cè)出按蚊的基因組可以幫助科學(xué)家找到對(duì)付瘧疾的新方法。但是蜜蜂有什么獨(dú)特之處呢？
蜜蜂是最典型的社會(huì)性昆蟲之一，高度組織、分工明確的社會(huì)形態(tài)讓其他昆蟲相形見絀。相比之下，果蠅簡(jiǎn)直就是一群烏合之眾。在一個(gè)典型的蜂群中，有一個(gè)占支配地位的蜂王，其下是無(wú)數(shù)為她工作的工蜂“臣民”(與其說(shuō)是臣民，不如說(shuō)她們都是蜂王的女兒)，以及只負(fù)責(zé)交配的短命雄蜂。即便看上去幾乎一模一樣的工蜂，也存在社會(huì)分工。一些工蜂負(fù)責(zé)照料蜜蜂的幼蟲，另外一些則負(fù)責(zé)修建蜂巢、收集花蜜和花粉。
工蜂的智慧常常令人感到驚嘆。一只工蜂可以飛到數(shù)公里外尋找可供采集口糧的花朵，它不但可以辨別并記住不同的花，還能飛回蜂巢告訴同伴蜜源在何處。這就是著名的蜜蜂“舞蹈”。如果蜜源距離蜂巢較遠(yuǎn)，工蜂會(huì)跳一種8字舞，告訴同伴蜜源的方位(以當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)作為參照物)和距離。如果蜜源就在附近，工蜂就會(huì)跳圓形舞。
奧地利生物學(xué)家卡爾·馮·弗里施(Karlvon Frisch)因?yàn)槠平饬嗣鄯湮璧傅拿孛芏@得了1973年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。然而，蜜蜂的腦只有不到芝麻粒那么大，其中只有100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元(相當(dāng)于人類大腦神經(jīng)元數(shù)量的100萬(wàn)分之一)。
科學(xué)家選擇蜜蜂作為測(cè)序?qū)ο?，正是由于它?dú)特的社會(huì)特性。一些科學(xué)家認(rèn)為，人類社會(huì)與蜜蜂王國(guó)有一些類似之處。研究社會(huì)行為的生物學(xué)基礎(chǔ)，這是社會(huì)生物學(xué)的工作。一些在動(dòng)物身上進(jìn)行的研究已經(jīng)表明了基因、環(huán)境和行為之間是如何相互影響的。
但是科學(xué)家沒法直接對(duì)人類社會(huì)進(jìn)行過(guò)于激進(jìn)的實(shí)驗(yàn)。“科學(xué)家不能改造人類社會(huì)——諸如分裂家庭或者建立同一年齡的人組成的社區(qū)?！薄蹲匀弧冯s志在同期發(fā)表的一篇社論中指出，“但是科學(xué)家可以對(duì)蜜蜂這樣做，然后觀測(cè)這些干預(yù)對(duì)于蜜蜂基因和生理的影響。蜜蜂的用處在這里：它和我們一樣既復(fù)雜又熟悉，又和果蠅一樣，很容易在對(duì)照條件下加以研究。”
科學(xué)家已經(jīng)找到了蜜蜂不同于其他非社會(huì)性昆蟲的一些特征。在11月的《基因組研究》雜志上，伊利諾依大學(xué)香檳分校的休·羅伯遜(Hugh Robertson)和凱文·沃納(Kevin Wanner)報(bào)告說(shuō)，他們?cè)诿鄯浠蚪M中找到了大約165個(gè)與氣味感受器有關(guān)的基因。而在果蠅和按蚊的基因組中，這類基因的數(shù)量只有蜜蜂的一半。這種現(xiàn)象很容易理解，因?yàn)槊鄯湫枰ㄟ^(guò)氣味辨識(shí)敵我和尋找合適的花朵。
雖然蜜蜂的嗅覺靈敏，它們的味覺卻相對(duì)遲鈍。在蜜蜂的基因組中，科學(xué)家只找到了10個(gè)與嗅覺感受器有關(guān)的基因。相比之下，果蠅有68個(gè)這類基因，按蚊有76個(gè)。羅伯遜說(shuō)，蜜蜂不需要太多的味覺感受器，因?yàn)槊鄯溆紫x生活在蜂房里，由成年工蜂喂養(yǎng)，而開花植物進(jìn)化出了一些吸引蜜蜂授粉的機(jī)制，蜜蜂就不需要發(fā)展出多余的味覺感受器。此外，由于蜜蜂集體生活在蜂巢中，它們負(fù)責(zé)制造外殼(用于保護(hù)自身)的蛋白質(zhì)的基因就較少。
科學(xué)家也在尋找其他和蜜蜂行為有關(guān)的生物學(xué)特征。伊利諾依大學(xué)香檳分校的神經(jīng)生物學(xué)家吉恩·魯賓遜(Gene Robinson)和同事探測(cè)了數(shù)千個(gè)基因在蜜蜂的腦中是如何表達(dá)的，以及保幼激素(阻止昆蟲成年的一類激素)對(duì)這些基因的影響。這些基因在蜜蜂的腦中是否被激活，影響著蜜蜂行為的變化。
但是這些研究?jī)H僅是一個(gè)開端?！懊鄯浠蚪M的破解者已經(jīng)開始在分子遺傳學(xué)的層次上研究(蜜蜂的)這些顯著的社會(huì)特征?！鄙鐣?huì)生物學(xué)的創(chuàng)始人E·O·威爾遜在同期《自然》上發(fā)表評(píng)論說(shuō)，“這個(gè)DNA測(cè)序是朝著回答一個(gè)社會(huì)進(jìn)化基本問題邁出的重要一步，也就是在基因組的層次上，是什么造就了一種高級(jí)的群居昆蟲？隨著這項(xiàng)研究的拓展，科學(xué)家將很快著手研究第二個(gè)同等重要的問題：到底是什么造就了一個(gè)社會(huì)性昆蟲物種？”
（作者：柯南 編輯：王晶 來(lái)源：新浪）
