激发科学和医学领域的下一代发现

虽已消失,但未被遗忘:复活灭绝物种的技术力量

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长毛猛犸象上一次在地球上行走的时间是在大约 4,000 年前,而研究人员称它们或许可以再走一次。尽管《侏罗纪公园》的粉丝们会觉得这个故事似曾相识,但科学家们正试图将其变为现实。这些方法和科学原理还没有得到证实,但它们对濒危或灭绝物种的益处是实实在在的。

包括人工智能 (AI)、数据分析和数字记忆在内的新兴技术,可能首次帮助人类实现此前无法想象的壮举:“灭绝物种复活”或让物种起死回生。然而,要让梦想成真,科学家们需要更智能的机器、更多的数据、更强大的处理能力以及更多的时间来实现它。“这不是科幻小说,”著名科学作家 Carl Zimmer says 说,“而是一个命题。” 尽管并非没有争议,灭绝物种复活——也被称为复活生物学——有望给世界生态系统带来好处。

我们为什么进行这种研究

气候变化、人类开发、栖息地破坏和自然灾害正在对生命形式造成严重破坏。尽管物种一直随着时间的推移而产生和消逝,但研究表明,目前物种正在以自 6000 万年前恐龙灭绝后从未有过的的速度 灭绝

在正常情况下,每年有 1 到 5 个物种会缩减到灭绝的程度。然而,最近的一项研究显示,物种灭绝的速度正在加快,每天都会失去几个物种。多达100 万种动植物面临灭绝的危险:到 2100 年,地球上全部物种的一半可能消失

虽然熊猫很可爱,猛犸象也很神奇,但科学家认为,生物多样性之所以重要,其原因远远超出了情感因素。地球上的生命形式是相关联的,它们相互支持和维系,灭绝可能会产生多米诺骨牌效应。当一个物种灭绝时,那些依赖它的物种——通常指以它为食的物种——也可能死亡。

濒危或灭绝的物种如此之多,时间却如此之少

意识到这些危险后,生物学家们从 1999 年起就一直致力于保护甚至复活物种,当时西班牙的科学家们从最后一只 bucardo 野山羊(也叫比利牛斯野山羊)身上提取了遗传物质。他们冷冻了雌性的细胞,并在 2009 年克隆了它们。但是野山羊的幼崽出生后不久就夭折了。

Catalyst Science Fund 的经理 Bridget Baumgartner 表示,一个用于拯救黑足鼬的类似项目正在进行中。该基金为 “基因拯救”组织 Revive & Restore 的研究项目提供资金,这一非营利性组织负责领导灭绝动物复活行动。

由于只剩下几只黑足鼬,近亲繁殖威胁着这个物种的生存。研究人员利用来自圣地亚哥动物园的冷冻动物园 (Frozen Zoo) 的 DNA,希望克隆出两只死去的鼬,用来与圈养的黑足鼬交配,从而增加基因库的多样性。其中 Frozen Zoo 动物园低温保存了 1,000 多个不同物种的遗传物质。该项目的成功将增加黑足鼬的生存机会,同时有希望避免之前野山羊项目的缺陷。

在科技界,2009 年已经算是很久以前的事。先进的人工智能、数据库管理以及处理和内存技术可以帮助完成这些工作。利用基于人工智能技术的基因图谱、复杂的基因编辑技术和干细胞技术,研究人员已经创造出了已灭绝物种的胚胎。到目前为止,他们正在利用这些胚胎进行研究,但其中一些人的目标是复活某些已经灭绝的物种——或者说是变种。该理论认为,将这些胚胎植入最接近的现存近亲的身体或卵子中,灭绝的物种可能会再次存活,尽管是以改良的形式存活。

霸王龙会跑到你家附近吗?

那些害怕恐龙疯狂奔跑的人可以松一口气了:DNA 有一个有效期。即使在最好的条件下——像永久冻土层那样持续低于冰点的温度——它也不会存在超过 150 万年。如前所述,恐龙在 6000 万年前已经灭绝;它们的残骸已经成为化石。

“恐龙不在考虑范围之内,”Wake Forest University 医学院再生医学研究所教授 Robert Lanza 表示。“你无法用石头来克隆。”

“恐龙不在考虑范围之内,”Wake Forest University 医学院再生医学研究所教授 Robert Lanza 表示。“你无法用石头来克隆。”

然而,还有许多其他候选物种可供选择。据鸟类学家Susan Haig 说,某些标准有助于确定一个物种是否可以进行灭绝动物复活:

  • 它是多久以前灭绝的? 从永久冻土中保存下来的骨头和牙齿中提取古代 DNA 样本是很不错;但从博物馆的标本中提取更年轻的细胞则更好。
  • 它是否不迁移? 科学家们可以更好地培养和监控始终在巢穴附近的动物。
  • 它是否是一夫一妻配对? 控制繁殖可以帮助种群更快地增长,因为每一代后代在基因上都更接近最初的一代。
  • 蛋或幼崽的大小是否与母亲自然生育的蛋或幼崽相似? “目前还不清楚母象是否能顺利产下一头小猛犸象,”Shapiro 说。
  • 新生儿能否较快地自给自足? 不同物种的宿主动物可能会阻止新生或孵化的幼崽得到适当的照顾,因此早期的自主性可能是存活的关键。

候鸽回归

候鸽,或“野生”鸽子符合这些标准。据 Revive & Restore 联合创始人Stewart Brand称,这种数量达 50 亿的种群在被猎杀致消失之前曾是世界上数量最多的鸟。

候鸽的唯一幸存者 Martha 于 1914 年死于一家动物园——这个死亡时间近到足以让我们在今天获得基因样本。但是,尽管研究人员从博物馆里展出的鸟类标本的趾垫上收集了组织,但他们无法对基因组进行完全测序。因此,他们对候鸽最近的近亲——斑尾鸽——的 DNA 进行了测序,并对这两种鸽子进行了比较,以获得更完整的图像。

Revive & Restore 科学家 Ken Novak 设想用斑尾鸽代替候鸽的蛋,而这种蛋孵出的幼鸟将是两个物种的混合物。最终,后代将越来越接近灭绝的物种,尽管它实际上是一个独特的品种。Novak 的目标是在 2025 年之前使该物种复活

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猛犸象还会再漫步吗?

对于 DNA 保存来说,温度比物种休眠的时长更重要。DNA 在死亡后不久就开始分解,但正如上面提到的,持续的低温会显著减缓甚至停止这一过程。这就是为什么生物学家能够利用保存在北极的两个标本的遗传物质对猛犸象的基因组进行测序,其中一个大约有 4,300 年的历史,另一个可以追溯到 44,800 年前。

下一步将是利用人工智能将猛犸象的 DNA 复制粘贴到亚洲象的细胞系中,因为亚洲象是猛犸象最近的近亲。如果这些细胞成功复制,研究人员设想创造一个用于妊娠的人造子宫——也许使用 3D 打印技术,就像为老鼠幼仔做的那样,从而消除了使用濒危雌性大象代孕的需要。

不过,把猛犸象带回来可能会引发各种各样的并发症和伦理问题。这实际上是在拯救一个灭绝的物种还是创造一个新物种? 把这个物种带回来能给生态系统创造什么真正价值? 如果人工智能出错,并用错误的遗传密码填补缺失的 DNA 序列,结果会怎样? 是否值得冒着其他濒危动物被伤害的风险让它们作为被复活动物的代孕母亲? 其中一些问题涉及哲学、伦理学和舆论;其他问题则可以用先进的技术来解决。

处理、存储和其他技术的进步加快了基因组测序的速度。
  • 1990 年:第一个人类基因组测序耗时 13 年,耗资约 10 亿美元
  • 2000 年:这个过程需要几天时间,花费大约 5,000 美元
  • 2019 年:测序整个人类基因组只需要 20 分钟,花费不到 600 美元
  • 未来的目标:这个过程将需要不到 1 分钟,花费不到 100 美元

技术主角

Baumgartner 说,尽管灭绝动物复活仍然只是一个梦想,但科学家们正比以往任何时候都更加努力地去实现它,而这在很大程度上是因为人工智能和数据分析等技术的进步。基因组测序是一项费力和艰巨的任务。用灭绝物种的 DNA 来做这件事更具挑战性,尤其是如果灭绝发生在它们的遗传物质可以被冷冻并储存在受控环境之前。

从永久冻土中出土的猛犸象遗骸只产生了可供科学家们进行拼凑的 DNA 片段。并且任何接触尸体的有机物质都会留下它的一些 DNA,与死去动物的遗传物质混合在一起。科学家们如何分辨它们?

幸运的是,已经被用于个性化医疗等领域的人工智能技术可以处理大量数据,以回答有关特定动物 DNA 的问题、正确排列其碱基对、筛选出不属于该物种的 DNA 以及填补间隙。DNA 序列遵循复杂的模式,而填补已灭绝物种 DNA 间隙的秘密之一就是识别模式。这些复杂的任务可能是人类无法完成的,但是被人工智能增强的计算机则是为模式识别而制造。它们可以快速地分析不完整的数据,填补模式中缺失的部分,并且在每次迭代中学习,以比之前更快更好的方式完成工作。

然而,DNA 和 RNA 并不是只有单一维度。Baumgartner 预测,人工智能不久将能够在不止一个维度上分析和可视化基因组数据,从而提供“一个关于细胞或动物体内状况的更完整的画面,”她说。能够促进灭绝动物复活工作的多维数据库在很大程度上依赖于新的内存创新。这些工具需要使用持久内存技术(例如 NVDIMM 和 3D XPoint™)创建内存数据库,以便让数据更接近处理器,并加快数据分析。

Baumgartner 说,尽管灭绝动物复活仍然只是一个梦想,但科学家们正比以往任何时候都更加努力地去实现它,而这在很大程度上是因为人工智能和数据分析等技术的进步。

美光高级业务发展经理 Eric Booth 说,“当整个数据库作为内存数据库存在于 DRAM 中时,对多维数据集的快速分析将加快,因为跨任意维度访问多维数据集的本质在很多方面看起来就像随机访问小块数据。DRAM 就是为这种类型的数据访问而设计,并且它非常擅长进行这种访问。 对这种类型的数据库来说,当仅依赖存储时,速度就显得太慢,因为存储设备是为顺序访问大数据块而优化的。在这个应用领域中,持久内存技术可能是一个非常有用的选择。”

Baumgartner 预测,数据压缩、多维数据库以及在单个计算机芯片上存储越来越多信息的能力将推动这些技术的发展。内存技术的进步已经降低了 DNA 测序的成本,使这项曾经成本高昂到令人望而却步的科学变得可以负担。

Baumgartner 也承认,“我们仍然不是十分了解基因组”,我们仍未全面了解测序,以及一个有机体的数据如何与其他有机体的数据和气候等因素相互作用。“但我可以向你保证,当我们真的弄清楚时,”她补充道,“必得归功于数据分析。”

我们并不声称自己能够回答“灭绝物种复活”过程所引发的后勤或伦理问题,且对于是否应该进行这一过程也没有强烈的意见。但有一点是肯定的:实现这一目标所需要的技术是令人着迷的,并且,如果科学家们希望成功,那么将需要大量、快速的内存和存储解决方案!

要了解更多关于 Revive & Restore 的信息,包括如何支持它的工作,请访问 www.reviverestore.org

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