施鵬：萬物生長離不開進(jìn)化之光

徐芳芳

“進(jìn)化生物學(xué)其實(shí)是一門非常傳統(tǒng)的學(xué)科?！碧岬阶约旱目蒲蓄I(lǐng)域，中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所黨委書記、副所長施鵬研究員如是說。

同樣是路邊一朵不起眼的野花，有人匆匆走過絲毫沒有留意，有人發(fā)現(xiàn)了這一抹芬芳駐足欣賞，還有人對溝渠瓦礫的環(huán)境中能健康生長的植物產(chǎn)生了濃厚的探究興趣，而進(jìn)化生物學(xué)就是這樣一門研究生物生存、發(fā)展的神奇學(xué)科。

“世間萬物都是進(jìn)化的產(chǎn)物，我們就想知道它們是如何在自然環(huán)境下生存演變的，以及這樣的變化能夠?yàn)槿祟悗硎裁簇暙I(xiàn)。”在施鵬看來，動(dòng)植物的生物進(jìn)化研究與人類的生存發(fā)展息息相關(guān)，“假如我們知道了青藏高原上的動(dòng)物是如何適應(yīng)高原低氧環(huán)境的，那必然將有利于人類解決高原反應(yīng)問題并進(jìn)一步征服高原?！?/p>

與自然更近一步

19世紀(jì)中葉，達(dá)爾文創(chuàng)立的以自然選擇為核心的進(jìn)化論思想，第一次對整個(gè)生物界的發(fā)生、發(fā)展，做出了唯物的、規(guī)律性的解釋，推翻了特創(chuàng)論等唯心主義形而上學(xué)在生物學(xué)中的統(tǒng)治地位，使生物學(xué)的發(fā)展發(fā)生了巨大變革。從那以后，“物競天擇、適者生存”等經(jīng)典觀點(diǎn)在全世界廣泛流傳開來，影響深遠(yuǎn)。

施鵬2014年在青海進(jìn)行野外科學(xué)考察

近200年來，隨著遺傳學(xué)、生態(tài)學(xué)等其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，進(jìn)化生物學(xué)得以不斷補(bǔ)充、發(fā)展和完善。目前，基因組學(xué)的快速發(fā)展，以及其他前沿技術(shù)的應(yīng)用，為進(jìn)化生物學(xué)的發(fā)展提供了有力支持，也為施鵬解決進(jìn)化問題提供了更多手段。

對環(huán)境的適應(yīng)是生物生存繁衍的基本前提。生物適應(yīng)性進(jìn)化的分子機(jī)制也因此成為進(jìn)化生物學(xué)研究中最基本、最重要的問題。不過以往的研究多針對單個(gè)基因或基因家族進(jìn)行，雖然對適應(yīng)性進(jìn)化的分子機(jī)制有了初步的認(rèn)識(shí)，但面對動(dòng)物適應(yīng)環(huán)境的多樣性與復(fù)雜性，局部的、個(gè)別的研究方式已被證明很難揭示動(dòng)物適應(yīng)環(huán)境的本質(zhì)。

為了解決這些問題，從新世紀(jì)初開始，施鵬就與團(tuán)隊(duì)集成了數(shù)據(jù)、技術(shù)和理論的最新進(jìn)展，采用生物信息學(xué)、分子進(jìn)化以及功能驗(yàn)證等多種分析手段，從單個(gè)基因、基因家族及全基因組等不同視角，建立了一個(gè)全局的、整體的研究體系來探討自然選擇對相關(guān)基因及基因組進(jìn)化的影響，以揭示基因序列和功能的演化與動(dòng)物適應(yīng)性的關(guān)系。

針對影響動(dòng)物自身生存能力最重要的3個(gè)環(huán)節(jié)——覓食和取食、食物消化和吸收及保持能量代謝平衡，他們選擇了味覺、嗅覺受體相關(guān)基因，食物消化和吸收相關(guān)基因，能量代謝相關(guān)基因，在具有代表性的多個(gè)物種中進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。通過分子進(jìn)化分析，他們發(fā)現(xiàn)無論在單個(gè)基因、基因家族或全基因組層次上，基因序列和功能的演化都是動(dòng)物適應(yīng)性進(jìn)化的主要表現(xiàn)形式。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，基因家族中成員數(shù)目的變化在動(dòng)物適應(yīng)環(huán)境的過程中也具有不容忽視的作用。這一重要的發(fā)現(xiàn)也提示著過去基于基因序列突變而形成的中性進(jìn)化理論可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低估了其他遺傳形式對適應(yīng)性進(jìn)化的貢獻(xiàn)，在未來的研究中需要全面、綜合地考慮各種遺傳形式的共同作用。

研究成果在國際頂級(jí)期刊上陸續(xù)發(fā)表后，引起了國際國內(nèi)動(dòng)物分子遺傳學(xué)和進(jìn)化基因組學(xué)界的廣泛重視和關(guān)注，并受到國際同行和媒體的關(guān)注，包括Science Now、Nature China、Faculty of 1000 Biology等國際著名學(xué)術(shù)評論期刊和媒體均對施鵬團(tuán)隊(duì)的研究成果予以專門報(bào)道。

2013年，團(tuán)隊(duì)參與研究多年的成果“動(dòng)物適應(yīng)性進(jìn)化的分子機(jī)制”獲得了云南省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。同年，施鵬個(gè)人還獲得了國家杰出青年科學(xué)基金資助，負(fù)責(zé)主持“哺乳動(dòng)物適應(yīng)性進(jìn)化的遺傳學(xué)機(jī)制”項(xiàng)目。

在動(dòng)物適應(yīng)性進(jìn)化方面，施鵬創(chuàng)新性建立了應(yīng)用適應(yīng)性進(jìn)化的理論來解析動(dòng)物復(fù)雜性狀遺傳基礎(chǔ)的新研究范式。這一范式的建立不僅解決了長期以來懸而未決的進(jìn)化可預(yù)測性難題，而且為遺傳學(xué)表型與基因型的研究提供了一條嶄新的思路。與此同時(shí)，利用這個(gè)研究范式，他還解析了哺乳動(dòng)物回聲定位、高原適應(yīng)等復(fù)雜性狀的遺傳基礎(chǔ)，并為生物多樣性資源挖掘和可持續(xù)利用提供了新的研究驅(qū)動(dòng)力。

“我們上學(xué)時(shí)可能了解到蝙蝠是利用回聲定位的，但通過長期研究，我們發(fā)現(xiàn)蝙蝠只是回聲定位這個(gè)大類群中的一種，還有另一個(gè)哺乳動(dòng)物類群是通過回聲來定位的，這也是在生物多樣性領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)。”施鵬介紹。

在“哺乳動(dòng)物適應(yīng)性進(jìn)化的遺傳學(xué)機(jī)制”項(xiàng)目中，利用所掌握的豐富野生動(dòng)物資源和第二代測序技術(shù)，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對具有代表性的回聲定位和非回聲定位蝙蝠的基因組和相應(yīng)組織的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測序，基于蝙蝠物種演化模式和分子進(jìn)化規(guī)律，在全基因組范圍內(nèi)篩選在回聲定位蝙蝠種類中發(fā)生趨同進(jìn)化的基因。進(jìn)一步在更多哺乳動(dòng)物物種中對候選基因的深入分析發(fā)現(xiàn)，它們的氨基酸序列能夠使具有回聲定位的哺乳動(dòng)物聚到一起，提示這些基因在回聲定位物種中都發(fā)生了趨同進(jìn)化。此外，基于表達(dá)水平，篩選在回聲定位蝙蝠中具有趨同表達(dá)模式的基因，并進(jìn)一步在組織內(nèi)衡量表達(dá)水平，對這一類候選基因進(jìn)行確認(rèn)。最后，通過體外功能實(shí)驗(yàn)，對這兩類候選基因進(jìn)行功能證實(shí)。在這些結(jié)果的基礎(chǔ)上，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從不同層面對哺乳動(dòng)物回聲定位的適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制進(jìn)行了全面闡述：基于適應(yīng)性分子進(jìn)化理論，闡明了回聲定位相關(guān)基因的進(jìn)化機(jī)制和演化歷程；通過構(gòu)建功能通路和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，探討了回聲定位相關(guān)遺傳元件之間的相互作用及其在回聲定位中的作用，并在此基礎(chǔ)上，探討了蝙蝠回聲定位這一復(fù)雜性狀快速產(chǎn)生的進(jìn)化遺傳機(jī)制和演化歷程；通過體外轉(zhuǎn)基因或靶向基因敲除實(shí)驗(yàn)，以及轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步闡明了哺乳動(dòng)物回聲定位的適應(yīng)性分子遺傳機(jī)制。

“進(jìn)化生物學(xué)其實(shí)就是一門探索自然、研究自然規(guī)律的學(xué)科，首要的就是需要我們擁有對大自然的好奇心?！笔i說道。在他看來，萬物生長自有其規(guī)律可循，但只有擁有強(qiáng)烈的好奇心才會(huì)對一花一草的枯榮、千奇百怪的動(dòng)物產(chǎn)生探索的欲望，“有了這些欲望才會(huì)驅(qū)使你不斷探索，深入研究”。

在新一輪競爭中占據(jù)制高點(diǎn)

探索自然是第一步，人類的終極目標(biāo)還是回歸于自身的發(fā)展上。

“進(jìn)化生物學(xué)不僅研究生物進(jìn)化的過程、證據(jù)、原因、規(guī)律等，探索這些規(guī)律能給人類帶來哪些貢獻(xiàn)也是我們研究的重點(diǎn)方向?！笔i說道。近幾年來，他的核心工作之一就是通過動(dòng)物復(fù)雜性狀的相關(guān)研究來解決一些人類慢性病問題。

“人類的疾病其實(shí)就是復(fù)雜性狀，過去這些年來，我們在人類疾病研究方面已經(jīng)形成了一系列研究模式，但對于動(dòng)物來說還比較少。我們希望把動(dòng)物進(jìn)化思想形成一個(gè)理論，并最終應(yīng)用于人類疾病研究，也就是通過動(dòng)物進(jìn)化理論看復(fù)雜性狀的形成機(jī)理，從一個(gè)嶄新的角度來解決人類疾病問題?！笔i介紹。

動(dòng)物復(fù)雜性狀是動(dòng)物長期適應(yīng)進(jìn)化的結(jié)果，也是動(dòng)物多樣性存在的主要基礎(chǔ)，對復(fù)雜性狀調(diào)控的失衡是人類重大慢性病發(fā)生的內(nèi)在原因，而對其形成規(guī)律的認(rèn)識(shí)對家養(yǎng)動(dòng)物經(jīng)濟(jì)性狀的改良和動(dòng)物特殊功能的仿生也有重要意義。因此，系統(tǒng)解析動(dòng)物復(fù)雜性狀的成因不僅是一項(xiàng)揭示大自然本質(zhì)規(guī)律的基礎(chǔ)性前沿科學(xué)工作，而且具有重大的應(yīng)用前景。但由于動(dòng)物復(fù)雜性狀的形成機(jī)制十分復(fù)雜，其長期以來一直是一個(gè)科學(xué)難題，面臨難以追溯、難以預(yù)測、難以調(diào)控的困難局面。系統(tǒng)解析動(dòng)物復(fù)雜性狀，了解其形成的內(nèi)在規(guī)律，迫切需要開拓新的研究思路。

在此背景下，2014年6月，中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）“動(dòng)物復(fù)雜性狀的進(jìn)化解析與調(diào)控”啟動(dòng)會(huì)在昆明召開。該項(xiàng)目以中科院昆明動(dòng)物研究所為依托單位，聯(lián)合中國科學(xué)院動(dòng)物研究所、遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、上海生命科學(xué)院、水生生物研究所、數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院和深圳先進(jìn)技術(shù)研究院等單位共同實(shí)施，領(lǐng)銜科學(xué)家共有兩位，施鵬就是其中之一。

“這個(gè)項(xiàng)目就是典型的多學(xué)科交叉融合項(xiàng)目，說起來容易，但做起來非常困難?！被貞涰?xiàng)目攻關(guān)經(jīng)歷時(shí)，施鵬不禁感嘆。

其實(shí)，僅從近十家聯(lián)合單位的名稱就能看出項(xiàng)目的復(fù)雜程度。除了進(jìn)化生物學(xué)之外，僅光學(xué)科領(lǐng)域就涉及了遺傳與發(fā)育、基因組研究、數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)等，其中最難的就是與跨度最大的數(shù)學(xué)領(lǐng)域的融合。

“你要將生物的東西用數(shù)學(xué)家能聽懂的語言講清楚，然后數(shù)學(xué)家研究的東西又要能夠?yàn)樯锼?，這個(gè)融合過程太困難了?！笔i說道。好在所有人的目標(biāo)都是一致的，為了解決項(xiàng)目研究中出現(xiàn)的問題，近5年攻關(guān)過程中他們召開了無數(shù)次會(huì)議，不斷學(xué)習(xí)、分享、融合。最終，多學(xué)科交叉反而成為了項(xiàng)目最大的亮點(diǎn)之一，而給生物學(xué)家?guī)順O大挑戰(zhàn)的數(shù)學(xué)領(lǐng)域最終也給他們帶來了完全不一樣的嶄新發(fā)現(xiàn)。

與德國人類營養(yǎng)學(xué)研究所的同事們在一起

為了突破以往動(dòng)物復(fù)雜性狀研究的瓶頸，他們在項(xiàng)目中采用了與之前完全不同的研究方式，通過大尺度、跨物種的進(jìn)化比較，系統(tǒng)整合不同動(dòng)物物種遺傳因子—發(fā)育網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化—表型適應(yīng)性3個(gè)層面的全面數(shù)據(jù)，突破了靜態(tài)描述和表象關(guān)聯(lián)的局限，解析動(dòng)物復(fù)雜性狀的成因。他們將這種研究動(dòng)物復(fù)雜性狀的新思路稱之為eGPS（evolutionary Genotype-Phenotype Systems biology）。新思路的提出不僅得益于近幾年來組學(xué)研究和非模式物種遺傳操作技術(shù)的突破性進(jìn)展，同時(shí)也得益于數(shù)學(xué)領(lǐng)域重要計(jì)算范式的引入。數(shù)學(xué)家們設(shè)計(jì)完成的整合生物學(xué)知識(shí)限制條件的數(shù)據(jù)挖掘建模算法，為eGPS理論的可視化動(dòng)態(tài)建模探索提供了理論和技術(shù)支撐。

在這一專項(xiàng)中，他們緊緊抓住了科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的新趨勢，以系統(tǒng)集成和多學(xué)科交叉的方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)物復(fù)雜性狀研究從目前GWAS（全基因組關(guān)聯(lián)分析）范式到eGPS范式的轉(zhuǎn)移，為人類慢性疾病的防治、畜禽經(jīng)濟(jì)性狀的改良和動(dòng)物特殊功能的仿生提供新的視角，使我國在新一輪生物科學(xué)和技術(shù)革命中占據(jù)一個(gè)重要的制高點(diǎn)。

經(jīng)過幾年的研究驗(yàn)證，“動(dòng)物復(fù)雜性狀的進(jìn)化解析與調(diào)控”專項(xiàng)獲得了系列突破進(jìn)展，并作為此領(lǐng)域開創(chuàng)者之一，引領(lǐng)了國際遺傳發(fā)育與進(jìn)化理論研究。與此同時(shí)，為了充分整合資源，提高數(shù)據(jù)使用率，實(shí)現(xiàn)資源共享，在先導(dǎo)專項(xiàng)支持下，他們還以先導(dǎo)專項(xiàng)產(chǎn)生的組學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了集數(shù)據(jù)匯交、存儲(chǔ)、整合、管理與共享為一體的公共組學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)，支撐先導(dǎo)專項(xiàng)多項(xiàng)科研論文的數(shù)據(jù)共享與發(fā)布，獲得Cell、Nature、PNAS等20余本國際期刊的認(rèn)可，由此形成了中國自主的組學(xué)數(shù)據(jù)管理體系，具有重要的戰(zhàn)略意義。

“進(jìn)化生物學(xué)發(fā)展至今，在世界范圍內(nèi)的研究中心經(jīng)過了幾次遷移，從最早達(dá)爾文的英國時(shí)期到20世紀(jì)三四十年代的美國時(shí)期，再到世紀(jì)之交華人科學(xué)家的崛起，其中歷程非常曲折。作為科研工作者，我們的最大目標(biāo)就是希望能夠做出一點(diǎn)成績，能夠?yàn)橹袊谶@個(gè)領(lǐng)域帶來一些具有影響力的成果，對于一個(gè)科學(xué)家來說這才是最重要的。”施鵬說道。

這里是云南

提到云南，人們的第一印象是什么？有的人可能會(huì)答麗江、大理、西雙版納，也有人會(huì)說蒼山、洱海、瀘沽湖，而在施鵬看來，云南不僅是動(dòng)植物的天堂，也是他科研生涯的殿堂。

作為生物文明重要的發(fā)祥地之一，云南不僅是全國植物種類最多的省份，同時(shí)也是動(dòng)物種類最多的省份，素有“植物王國”與“動(dòng)物王國”之稱。在全國3萬種高等植物中，云南占60%以上，列入國家一、二、三級(jí)重點(diǎn)保護(hù)和發(fā)展的樹種有150多種。而全國見于名錄的2.5萬種昆蟲類中，云南就有1萬余種，許多珍禽異獸如戴帽烏葉猴、亞洲象等在國內(nèi)也僅分布在云南。

“對于進(jìn)化生物學(xué)而言，云南是個(gè)從事研究的好地方?？赡芪覀兊慕?jīng)濟(jì)發(fā)展程度不如中東部地區(qū)，但在進(jìn)化生物學(xué)研究領(lǐng)域，云南是名副其實(shí)的風(fēng)水寶地?！笔i說道。也正因如此，20世紀(jì)末大學(xué)畢業(yè)后，從小熱愛自然、喜歡研究動(dòng)植物生存發(fā)展奧秘的施鵬，選擇了離家千里、坐落于云南的中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所讀博深造。在他眼中，這里是動(dòng)植物王國，也是進(jìn)化生物學(xué)的王國，“對進(jìn)化生物學(xué)的興趣驅(qū)使我來到云南，同樣也驅(qū)使我在出國訪問研究之后再次回到云南”。

2007年，在國外學(xué)習(xí)、掌握了世界前沿技術(shù)研究方法之后，施鵬第一時(shí)間選擇了重回云南，并結(jié)合國內(nèi)外學(xué)習(xí)研究經(jīng)歷，開始了嶄新的征程：利用新一代測序技術(shù)，運(yùn)用自然選擇理論在基因組范圍內(nèi)探討基因型和表型的關(guān)系；結(jié)合生物信息學(xué)和功能實(shí)驗(yàn)的方法來研究動(dòng)物適應(yīng)環(huán)境的分子機(jī)制；通過對非模式生物的基因組研究，從新的視角理解人類長壽、心血管疾病和腫瘤的發(fā)病機(jī)理及新的疾病相關(guān)基因資源的挖掘。

十幾年來，結(jié)合世界領(lǐng)先的技術(shù)與源源不絕的科研探索熱情，施鵬的研究終于在云南這塊風(fēng)水寶地碰撞出燦爛的火花。因在進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域取得的系列突破性成果，他獲得國家杰出青年基金，并獲云南省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國科學(xué)院“王寬誠西部學(xué)者突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”等。

2016年，在科研之外，他又迎來了另一個(gè)重?fù)?dān)——擔(dān)任中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所副所長，并主要負(fù)責(zé)人才管理工作。眾所周知，人才引進(jìn)一直是縈繞在西部研究所發(fā)展歷程中的難題，不是所有人都能像施鵬一樣只從科研領(lǐng)域本身的角度去考慮工作地點(diǎn)，到底該如何為地處云南的中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所招納更多優(yōu)秀人才呢？

“在人才引進(jìn)方面，我們選擇了3條路并行發(fā)展，即學(xué)科特色、硬件設(shè)施與培養(yǎng)體系。”施鵬介紹，“首先就是需要建設(shè)自己的學(xué)科特色。作為經(jīng)濟(jì)較為落后的西部地區(qū)研究所，如果所有學(xué)科研究都能在中東部進(jìn)行，別人肯定不會(huì)來。之后還要有良好的硬件設(shè)施、大型科研平臺(tái)，筑巢引鳳來。最后，還要在內(nèi)部搭建年輕人培養(yǎng)體系，形成一種良好的上升機(jī)制與氛圍，吸引年輕人。歸根結(jié)底，只有不斷發(fā)展、強(qiáng)大的研究所才能吸引、留住人才?！?/p>

為了不斷提高研究所在國內(nèi)外的影響力，來到云南后的施鵬，與老一輩科學(xué)家一樣，始終奮戰(zhàn)在世界生物多樣性演化、保護(hù)和利用研究的最前沿，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)取得了一批高水平研究成果，造就了一批優(yōu)秀科學(xué)家，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，為國家和地方的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

在他們的帶領(lǐng)下，如今的中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所，先后獲得國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)5項(xiàng)、國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)，并多次獲得省部級(jí)及中國科學(xué)院重要獎(jiǎng)項(xiàng)；擁有“遺傳資源與進(jìn)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”“中國科學(xué)院動(dòng)物模型與人類疾病機(jī)理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”兩個(gè)主要研究單元，建設(shè)有“云南省動(dòng)物模型與人類疾病機(jī)理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”“云南省活性多肽研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”等4個(gè)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，“國家昆明高等級(jí)生物安全靈長類動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心（P3實(shí)驗(yàn)室）”“國家非人靈長類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物資源庫”等8個(gè)支撐機(jī)構(gòu)與技術(shù)平臺(tái)，以及“云南無量山西黑冠長臂猿監(jiān)測站”和“云南大山包黑頸鶴監(jiān)測站”兩個(gè)野外臺(tái)站……

每一項(xiàng)榮譽(yù)與成就都得之不易也令人欣喜，但在施鵬的眼中這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。對于誕生于國外的進(jìn)化生物學(xué)而言，國內(nèi)的研究起步較晚，要取得更多的話語權(quán)與影響力還需要科學(xué)家們不斷努力。“我們的目標(biāo)從來沒有變過，一方面繼續(xù)探索自然，取得更多原創(chuàng)性成果，提高國人話語權(quán)；另一方面培養(yǎng)更多接班人，學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵歸根結(jié)底還是在年輕人身上。我們這一代人在老一輩科學(xué)家的研究基礎(chǔ)上取得了目前的一些成績，希望現(xiàn)在的年輕人能進(jìn)一步超越我們，取得更大的成就?！笔i說道。