21年前，一张类似生命密码图的人类基因组精确图谱面世，让我们得以一窥人类生老病死的遗传奥秘。

　　而在过去的十余年，全球蚂蚁基因组联盟计划、万种鸟类基因组计划……一项项令人惊叹的生命科学领域“探月工程”在国际知名演化生物学专家张国捷的主持、参与下向高、向深迈进，突破了一个又一个的难关。

　　近日，这位学者来到杭州，以讲席教授的身份全职加入浙江大学医学院，将在良渚实验室展开他的科学探索，为浙江的生命健康高地建设贡献自己的国际视野与科学力量。

　　在余杭塘路866号的临时办公室，记者与张国捷对谈一个多小时，畅聊了生命的起源与未来，揭开了那些重大基因工程项目的一角面纱。

小蚂蚁的“大社会”

　　肩负种族繁衍大任的蚁后、扛起觅食筑巢重担的工蚁、成为保卫群体武器的兵蚁……看似低等昆虫的小蚂蚁却有着如此复杂的社会结构和明确的社会分工，可见其智慧。

　　亲缘关系是社会系统形成的基础，不同于人类社会系统形成受到宗教、文化、法律等伦理的影响，蚂蚁的社会系统是单纯生物、化学和物理反应过程调节的结果。科学家们敏锐地观察到这一点，将其看作一个研究物种社会行为的动物模型。

　　“我们希望通过对蚂蚁这种生物及其社会行为模式的研究，能够进一步挖掘出影响生物寿命和社会行为的关键基因，而这些结果将为理解人类的寿命和社会系统组织提供一些重要的线索与证据。”张国捷说。

　　蚂蚁社会分工的发育过程和多细胞有机体的细胞分化过程高度相似：胚胎干细胞可以分化成不同的细胞类型，能分化出成体动物的所有组织和器官。其中，有些细胞分化出负责繁殖的卵巢或者精巢，也就是繁殖细胞，那其他细胞就成为支撑这个肌体的体细胞。生殖细胞与体细胞皆源自同一受精卵，但细胞分化后体细胞不负责繁殖，由生殖细胞负责遗传个体基因。

　　蚂蚁的社会系统就有点像这样的一个组织：蚁后是系统里的“生殖细胞”，而其他蚂蚁个体就是支撑系统运作的“体细胞”。所以，科学家们也将蚂蚁叫做“超个体”。

　　那么，为什么有些个体它会定向发育成工蚁，有些则发育成蚁后，这其中的转变又是由哪些基因来调控的？

　　利用新一代测序技术，张国捷和团队为弓背蚁和印度跳蚁两种蚂蚁建立了基因组图谱。他们发现在蚁群内部，虽然不同蚂蚁的基因组DNA水平没有差异，但许多基因在不同的工种间表达差异极大。也就是说，不同工种蚂蚁的遗传信息在合成不同的功能性基因产物时，会产生不同的结果。

　　端粒酶是一种在染色体复制过程中，维持被称为端粒的DNA-蛋白质复合体的长度的酶，与个体衰老息息相关。端粒变短，细胞就会老化；相反，如果端粒酶活性很高，端粒的长度就能得到保持，细胞的老化就被延缓。

　　以印度跳蚁为例，某些工蚁的端粒酶表达水平与受精卵相似，并且远高于普通工蚁，而这种工蚁通常在特定条件下会变成蚁后。同时，他们发现，普通工蚁的端粒酶活性很低，它们的寿命也往往很短，可能只有几周的寿命。而可交配工蚁的端粒酶却非常高，它们的寿命也相对较长，可达到二十余年。

　　“通过基因表达比较，我们还发现，这些差异表达的基因主要参与了神经功能及化学通讯功能，例如：味觉受体、嗅觉受体以及与烃类代谢有关的基因等。”张国捷补充道，“这就提示我们，这类基因在蚂蚁社会分工及信息交流中具有一定作用。”

鸟类的“物种树”

　　生活在南极、憨态可掬的企鹅与栖息在美洲森林、娇小可人的蜂鸟是亲戚？“大长嘴”啄木鸟与“大圆脸”猫头鹰在过去是一家？

　　自1861年世界上第一块始祖鸟化石被发现以后，鸟类的起源一直是科学家感兴趣的话题。这一切要源于约6600万年前，地球上庞大动物类群恐龙覆灭之后，幸存的鸟类经历了一次“大爆炸”式的物种演化，在1000万年以内出现了1万多个物种，形成现今鸟类的物种格局。

　　“我们希望探寻物种大爆发背后的遗传学基础。”张国捷告诉记者，万种鸟类基因组学计划迄今已完成了数百个鸟类物种的基因组测序、组装和全基因组比较分析，囊括了现代鸟类的主要分支。

　　他将这份图谱称为“物种树”，枝桠分岔间，通过溯源基因的异同，一张鸟类演化的大地图正在逐步构建——鸟类物种出现的先后顺序、性状演化的时间长度、甚至是在更古老的某分子里面的遗传信息，在这一棵“树”上一览无余。

　　由于现代鸟类在早期快速形成物种，扩张的时间很短，物种间单个基因的水平上没有演化出足够多的序列差异，因此传统上仅用少量DNA序列的方法很难提供足够的信息确定物种间的亲缘关系。张国捷团队决定采用全基因组DNA序列来推断鸟类物种树。但对如此众多物种开展全基因组比较，对计算效率和准确性带来了巨大的挑战。因此团队开始建立全新的多基因组比对和分析方法来筛选数据。

　　“新方法极大地提高了跨物种的比对效率。”他说，比如，项目第二期研究鸟类基因组构建的全基因组比对序列总长为981兆碱基对，比此前以鸡和斑胸草雀为参考基因组构建的第一期鸟类全基因组比对序列在长度上提升了149%。

　　张国捷介绍，新的鸟类物种树彻底解决了今颚总目，即鸟类主干的早期分支问题，还对一些长期争议的关系给予确切的结论。比如，主要陆生鸟类如鸣鸟、鹦鹉、啄木鸟、猫头鹰、鹰和隼等都来自同一祖先——顶级的捕食者，这类生物同时也是一种曾生存于美洲的巨型恐怖鸟的祖先。

　　未来在良渚实验室，从获得样品到分析完成，在超级计算机的支持下，一个常规鸟类物种的全基因组建立最快半个月即可完成。“接下来我们准备把现存的所有1万多种鸟类基因组完成解读，更全面地揭示物种起源和演化的内在规律。”谈及未来，他满怀信心。

演化与人类疾病

　　人们往往会认为演化生物学研究的对象是古老的物种演化历史事件。

　　然而张国捷认为，生命的演化不仅关乎过去，我们当下的世界也非演化的终点——随着新基因组学等其他生命科学领域各种技术的发展，我们不仅能够利用编码生命基本信息的基因组数据回溯过去30多亿年波澜壮阔的生命演化历史，也能够捕捉到人类在内的所有生物在当下随着环境变化的演变过程。

　　“对生命现象的全面理解，不仅需要我们知道哪个基因、哪个器官如何调控某种疾病和表型，也需要我们从演化的角度更深层次地理解每种疾病和表型如何演化形成，为什么会演化形成。”他说。

　　其实，我们可以把人体想象成一辆汽车，所谓的疾病就是车抛锚了。对于医生而言，需要检查出哪个部位出现什么问题，甚至是哪段基因出现什么病变，如何对症下药。

　　而演化生物学恰恰是回答了一个“为什么”的问题：为什么会发生这样的现象？比如说，既然可能罹患阿尔兹海默症，那么为什么人类还会演化出一套如此庞大复杂的记忆系统？

　　“一个性状的出现，往往是长期自然选择的结果，是物种在环境中不断适应选择淘汰的过程中，形成保留下来的结果。”张国捷说，科学研究发现，人类的疾病实际上是伴随着人类特殊的演化过程出现的。

　　在他看来，人类许多疾病比如衰老、癌症、慢性病等便是如此。

　　对于自然界多数物种而言，繁殖结束之后，它出现在这个世界上的使命便完成了。在生物演化过程中，基因会拼尽全力去保证整个物种在个体早期发育的正常生存与繁殖。

　　人类的平均寿命在过去可能也就是三四十岁，随着近现代医疗卫生条件的进步而逐渐提高。到了老年阶段，原来兢兢业业工作的基因缺乏自然选择的约束，就出现了紊乱，在人体内出现随机的变化，这也是人类老年阶段各种各样的疾病产生的可能原因。

　　“虽然大部分生命演化规律当下无法直接帮助治疗疾病，解决人类社会当下最紧迫的问题。然而，DNA序列在生命演化过程中的某个节点为特定物种的演化过程提供重要的遗传基础。如果不从演化角度思考，我们将很难理解为何我们身上携带如此多的基因和看似无用的DNA序列。对生命演化过程和规律的深入了解，必将加深我们对生物体每个基因、每种功能、每种性状和每种疾病演化历史和形成动因的理解。”张国捷说。