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是什么決定了一只鳥的遷徙命運？
氣候變化和基因如何影響了游隼的遷徙歷史？技術進步為回答這個問題提供了新方法。那么，這些答案也能預測鳥類未來遷徙的命運嗎？
遷徙是動物界的一個普遍特征，其中對鳥類遷徙的研究可謂是最全面的。谷中如等人[1]在《自然》上發(fā)表論文，深入分析了哪些因素可能決定了游隼（Falco peregrinus）遷徙路線的演化。游隼因破紀錄的飛行速度聞名于世，當它們俯沖捕食獵物時，時速最高可達320公里以上。
人們對決定北極鳥類遷徙路徑的因素所知甚少。在本期《自然》中，谷中如和詹祥江等人研究了游隼（Falco peregrinus）從北極繁殖地到歐亞大陸不同越冬地的遷徙路線。研究人員將56只游隼的衛(wèi)星追蹤數(shù)據(jù)與35只游隼的基因組分析數(shù)據(jù)相結合，并利用古氣候數(shù)據(jù)重建了游隼過去的繁殖地和越冬地分布。他們發(fā)現(xiàn)，游隼的遷徙模式從末次盛冰期（2.2萬年前）結束以來，主要受到環(huán)境變化的影響。研究團隊還確定了一種或對游隼有益的遺傳因素——遷徙距離更長的游隼攜帶ADCY8優(yōu)勢等位基因，作者認為該基因可能與長期記憶的形成有關，從而幫助游隼保留了部分遷徙路線。封面所示為一個佩戴GPS定位追蹤器的游隼。封面圖片：Andrew Dixon
鳥類季節(jié)性的隱與現(xiàn)十分神秘，讓人為之著迷又疑惑不解。一直到不算太久之前，我們才開始對這類現(xiàn)象有了進一步的認識，駁斥了中世紀各種充滿想象的推測——比如認為鳥類冬季會在湖底冬眠，待到春季再次出現(xiàn)[2]。19世紀末開始，綁在小鳥腿上的金屬圈揭開了它們的旅程、行蹤，以及個體命運的秘密。
得益于各方面的技術進步，我們現(xiàn)在能夠使用輕量級的追蹤設備[3]，一路跟著這些候鳥到天涯海角，獲得關于鳥類遷徙行為的詳細證據(jù)。不過，這些最新技術不僅能夠幫助我們闡釋鳥類個體的行為，高通量DNA測序技術還能用來尋找大規(guī)模遷徙行為的信息與鳥類個體基因組深度分析之間的相關性。這類研究的目的是為了確定與遷徙行為有關的遺傳因素。
基于當前的研究進展，我們對鳥類遷徙各個方面的理解已經取得了重要突破。不過，這種復雜行為受到哪些因素的調控仍然是個很難回答的問題。隨著全球氣候和生境的持續(xù)改變，候鳥以及想要保護這些遷徙動物的人類面對著前所未有的挑戰(zhàn)，因此，闡明這種調控機制似乎比以往任何時間都更重要[4,5]。
與人類社會的許多重大挑戰(zhàn)一樣，研究鳥類遷徙的調控架構需要多學科的參與和融合。因此，谷中如等人使用了一系列令人印象深刻的互補性方法來研究游隼的遷徙。他們研究的游隼種群每年會在北極繁殖，之后再飛往南方。作者分析了歷史上這些游隼的遷徙路線是如何形成的，以及這些路線如何影響到現(xiàn)今種群的動態(tài)和演化。谷中如等人還研究了哪些基因可能是遷徙行為的主要調控因子，以及所有這些因子可能會如何共同影響游隼的未來命運。
谷中如等人利用佩戴在鳥背上的衛(wèi)星追蹤器（圖1），追蹤了56只游隼好幾年的時間，總共確定了6個北極繁殖種群的150條完整遷徙路線。作者還對35只游隼的全基因組進行了測序，并利用末次盛冰期（2.2萬年前）以來的花粉記錄，重建了這些游隼各個分布地區(qū)的歷史氣候。這些估算的氣候數(shù)據(jù)為了解不同遷徙路線的形成以及這些游隼種群的分化提供了非常重要的線索。證據(jù)顯示，這些北極種群曾發(fā)生萎縮——約1萬至1.5萬年前的冰蓋消退曾讓它們在苔原的繁殖地變小。
圖1 | 一只佩戴衛(wèi)星追蹤器的游隼。谷中如等人[1]利用這個衛(wèi)星追蹤器繪制了在北極繁殖的游隼種群的遷徙路線。來源：Andrew Dixon
如今，這些被追蹤種群一年一度的遷徙全部發(fā)生在它們各自的氣候生態(tài)位之內——同種群個體面臨的氣候條件相同，不同種群之間則有所差異。這可能從一個角度解釋了為什么同種群的個體似乎總是沿著同樣的路線遷徙，并在溫帶和熱帶地區(qū)使用相同的種群特異性越冬地。
作者的分析顯示，ADCY8基因可能促進了游隼的遷徙行為。通過比較不同游隼種群的DNA序列，谷中如等人發(fā)現(xiàn)這個特別的基因在不同種群之間的差異很大，極有可能受到了某種選擇。這種基因在功能上或與長期記憶的形成有關，而長期記憶對于需要長途跋涉的種群來說可能格外有用。學習可能也對遷徙成功起到了一定作用，因此，谷中如等人還專注于尋找有望通過記憶形成促進學習的遺傳因素。其他研究[6]也探尋過可能與長期記憶有關的基因在鳥類遷徙行為中的作用。
谷中如等人的研究示范了如何通過學科交叉的方法和精細的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來推斷種群規(guī)模的演化歷史。他們的研究還展示了如何利用不同種群分化的時點來推斷生態(tài)-演化框架中的模式。這方面的理解能夠用來對群落動態(tài)進行較大時間跨度的建模，模擬過去和未來的場景。谷中如等人得出了一個重要結論：由于全球變暖，向歐洲遷徙的北極繁殖游隼種群未來將經歷劇烈的變化，這些變化會讓游隼作出行為調整，包括適應更短的遷徙距離。
谷中如等人的跨學科研究提供了一個藍本，有望激勵更多研究團隊采用類似的整體分析方法。在這方面，擁有多種遷徙策略的遷徙物種是值得研究的理想模式系統(tǒng)。比如北美白冠帶鹀（Zonotrichia leucophrys）的一些亞種會長途遷徙，而另一些亞種卻從不遷徙[7]。歐亞黑頂林鶯（Sylvia atricapilla）也存在很大的遷徙差異，不同個體采取的遷徙方向和路線尤其不同[8]。
此外，若要探究與遷徙有關的記憶形成，研究人員可能必須開展谷中如等人的這類研究，來比較幼鳥的首次遷徙路線與它們成年后所走的路線。研究人員還應該研究一下成鳥會向幼鳥傳授路線的物種，如鶴科[9]。之后再將這些數(shù)據(jù)與一些濱鳥或雀形目的分析數(shù)據(jù)進行比較——這類幼鳥在第一次遷徙時或是自行決定遷徙路線，或是選擇與成鳥完全不同的路線[10]。利用這種對比和各種研究系統(tǒng)的互補優(yōu)勢，研究人員可以進一步闡明遷徙行為的遺傳架構，并提供能證明因果關系的證據(jù)。
可以說，在單一學科內過度簡化與集結跨學科力量只有一線之隔。谷中如等人的工作再次證明了跨學科研究的價值，這種學科交叉的形式將不同領域的證據(jù)放到具體的背景下，得出新的見解，突破科學的邊界。但是，想要理解遷徙這類復雜的行為過程，這樣的工作還有很多要做。它還將為我們開展有效的保育工作提供必要的工具，讓這個令我們敬畏贊嘆，同時也是地球上許多生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的自然現(xiàn)象一直保留下去。
參考文獻：
1. Gu, Z. et al. Nature 591, 259–264 (2021).
2. Magnus, O. Historia de Gentibus Septentrionalibus (Giovanni Maria Viotto, 1555).
3. Bridge, E. S. et al. BioScience 61, 689–698 (2011).
4. Bay, R. A. et al. Science 359, 83–86 (2018).
5. Wilcove, D. S. & Wikelski, M. PLoS Biol. 6, e188 (2008).
6. Delmore, K. E. et al. eLife 9, e54462 (2020).
7. Ramenofsky, M., Campion, A. W., Pérez, J. H., Krause, J. S. & Németh, Z. J. Exp. Biol. 220, 1330–1340 (2017).
8. Delmore, K. E. et al. Proc. R. Soc. B 287, 20201339 (2020).
9. Mueller, T., O’Hara, R. B., Converse, S. J., Urbanek, R. P. & Fagan, W. F. Science 341, 999–1002 (2013).
10. Grönroos, J., Muheim, R. & Åkesson, S. J. Exp. Biol. 213, 1829–1835 (2010).
原文以A bird’s migration decoded標題發(fā)表在 2021年3月3日的《自然》的新聞與觀點版塊上
原文作者：Simeon Lisovski & Miriam Liedvogel
© nature
doi: 10.1038/d41586-021-00510-4
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