科学家给蝴蝶拍“基因身份证”，破解2.5亿年生命密码

清晨，在阿尔卑斯山海拔 2,300 米的台地上，寒意笼罩着石屋。壁炉里的火发出低低的嘶声，年轻的昆虫学家们围坐在一张木桌旁，用意大利语、西班牙语和英语交错地争论着昨夜的收获——一群被装在塑料罐里的蝴蝶。

图 | 昆虫学家们捉回的蝴蝶（来源：IEEE Spectrum）

这间建于 1901 年的阿尔特·普福尔茨海默山舍，是“Project Psyche”（心灵计划）第一次国际实地科考的临时指挥部。来自捷克科学院、西班牙奥维耶多大学和英国威康·桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）的研究者，在这里展开一场并不浪漫的“追蝶行动”，准确来说，是追捕鳞翅目（Lepidoptera）的昆虫，包括蝴蝶和蛾类。

图 | 阿尔特·普福尔茨海默山舍（来源：IEEE Spectrum）

这场行动的目标，是为欧洲所有11,000 种蝴蝶和蛾类绘制完整的基因组图谱，即进行基因测序。这既是“达尔文生命之树计划”（Darwin Tree of Life Project）的一部分，也隶属于更庞大的“地球生命基因组计划”（Earth BioGenome Project，简称 EBP）。这项计划试图在 2035 年前解码地球上所有 180 万种命名物种的基因。

在这个时代，测序基因已不再困难。二十年前，一条人类基因组的成本超过 10 亿美元，而如今，用不到 1,000 美元、一天时间便能完成一个生物的全基因测序。桑格研究所的研究员夏洛特·赖特（Charlotte Wright）说，这不仅是科技的胜利，更是生物学重新理解生命多样性的机会。

Project Psyche 的主要测序对象——鳞翅目，出现于 2.5 亿至 3 亿年前，如今已演化出 18 万多个物种，是地球上数量最多、分化最广的昆虫类群之一。通过对比不同种类的基因组，科学家能够追溯它们如何在冰河期、干旱与森林演替中生存、分化，并揭示为何某些支系能在相似的环境下爆发出更高的物种多样性。

对鳞翅目演化史的兴趣，源于一个看似矛盾的发现：在表型上极度多样的蝴蝶与蛾子，其染色体结构竟然几乎未变。据 2024 年发表在 Nature Ecology & Evolution 的报告显示，研究团队比较了 200 多个高质量基因组后发现，现代鳞翅目动物的染色体可以追溯至 32 个古老的“梅里安元素”（Merian elements）。这个元素以 17 世纪昆虫学先驱玛丽亚·梅里安命名。自它们最后一次共同祖先出现以来，超过 2.5 亿年间，这 32 个遗传元素几乎未被打乱。

这种惊人的稳定性似乎有些反直觉：若染色体长期不变，物种多样性为何反而越来越丰富？

对此，桑格研究所主任马克·布莱克斯特（Mark Blaxter）解释说：“或许正是这种稳定，促成了多样化。它不限制演化，而是为变异提供了稳定的支架。”但也存在少数叛逆者——例如蓝蝴蝶属（Lysandra）与白蝶属（Pieris），它们的染色体经历了剧烈的融合与裂变。研究这些特例或许能从另一个角度揭示基因组重排如何推动演化。

图 | 蓝蝴蝶属与白蝶属（来源：Wikipedia）

Project Psyche 的现场采样，是这些研究的源头。每一只昆虫都被编号、冷冻、解剖：头、胸和腹部分装在液氮冷藏的样管中，随即送往英国的基因测序中心。基因组数据会被进一步拆解，然后拼接和注释。赖特解释说：“采样只是开始。我们要确定每条染色体上成千上万的基因位置和功能。这需要强大的算法和漫长的人工校验。”目前，全球范围内的基因注释仍是地球生命基因组计划最耗时的瓶颈之一。

不过，一项新技术正在加速这一过程。西班牙和安道尔的研究团队在 2024 年率先用长读 RNA 测序绘制了紫铜蝶（Lycaena helle）的完整转录图谱。这项研究由巴塞罗那基因组分析中心（CNAG）主导，揭示了 20,122 个蛋白编码基因和 4264 个非编码基因的位置。非编码基因往往难以通过计算预测，但它们在调控、保护和细胞应激反应中扮演关键角色。长期以来，它们被忽视——直到长读长测序技术让这些基因真正现身。

该团队的进一步研究甚至在人类基因组中识别出 18,000 个此前未知的非编码基因，为 25 年来的人类基因图谱填补了空白。桑格研究所计划将这项技术纳入 Psyche 与“生命之树”项目，以更精准地标注蝴蝶和蛾类的遗传图谱。

然而真正的挑战还在微观世界。体长不足几毫米的“微蛾”（micromoths）数量庞大、外形近似，常令资深分类学家也无从辨认。瑞典隆德大学的尼克拉斯·瓦尔伯格（Niklas Wahlberg）笑称：“我们有 99% 的欧洲鳞翅目物种拥有 DNA 条形码，但真正让人头疼的是那 1% 的疑难杂症。“条形码技术利用线粒体基因 CO1 的变异特征来区分物种，如今已能在 100–800 个碱基对的片段上快速完成鉴定。这项由加拿大科学家保罗·赫伯特（Paul Hebert）在 2000 年代初发明的技术，如今已成为 Project Psyche 辨识微蛾的关键工具。

除了科学价值，这一系列研究也具有深刻的生态现实意义。蝴蝶和蛾类既是生态系统中重要的授粉者与草食者，也是气候变化的天然指示器。赖特指出，随着气温上升与栖息地迁移，害虫正进入新的农作区，造成巨额经济损失。理解它们的基因组，有助于预测哪些种群具备气候适应型基因，从而提前应对农业风险。

根据桑格研究所最新的报告，至今欧洲已有 1,716 种鳞翅目样本被采集，其中 1073 种完成测序。Project Psyche 计划在 2030 年前实现 11,000 种的全覆盖。作为全球 EBP 框架的一环，这将使鳞翅目成为地球上基因组数据最完备的昆虫类群。

图 | Project Psyche 计划进度（来源：GoaT）

尽管目标宏大，科学家们的工作环境却异常朴素：一个山洞、一盏灯、几张桌子、有时甚至没有网络。

图 | 科学家们在凌晨检查蛾类样本（来源：IEEE Spectrum）

布莱克斯特常在团队会议上提醒年轻研究员：“我们在做的不只是测序，而是在为地球的生物档案建立第一份原始文献。”每一次基因图谱的显影，都是它们在数字世界的生命延续。

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

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

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

运营/排版：何晨龙