候鸟迁徙怎么飞，会迷路吗？科学家揭秘其中关键基因 - 海洋鸟类迁徙路线图

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撰文 | 解茵茵

责编 | 计永胜

冬去春回，南雁北归。候鸟迁徙是大自然里一道靓丽的风景。在北极地区，数以百万计的候鸟繁衍生息。它们每年秋季向南迁徙至低纬度越冬，待来年春季返回。

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有趣的是，候鸟的迁徙路线在几年内基本稳定。那么，候鸟是如何记住迁徙路线的呢？哪些因素影响了候鸟的迁徙路线呢？

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中国科学院动物研究所研究员詹祥江长期从事种群和进化遗传学研究。该团队联合中国科学院大学、英国卡迪夫大学、布里斯托大学等机构连续多年跟踪了北极地区游隼（Falco peregrinus）的迁徙路线，并发现ADCY8基因可能通过调节长期记忆影响游隼的迁徙距离。该研究结果于2021年3月4日发表在《自然》（Nature）杂志 [1]。

游隼是一种中型猛禽，体长半米左右。每年九月左右，游隼就会从繁殖地出发，经过一个月左右的长途飞翔，到达越冬地点。为了跟踪游隼的迁徙过程，研究人员为北极圈附近6个不同地区（科拉半岛、科尔古耶夫岛、亚马尔半岛、泰梅尔半岛、勒拿河、科雷马河）的共计56只游隼安装了卫星遥感追踪器，获得了150条完整的迁徙路线。所有种群都显示出高度的迁徙连通性（migratory connectivity），说明游隼对路线有长期记忆。通过分析迁徙距离，研究人员将游隼种群分为西部的短距种群（2个，平均3680千米）与东部的长距种群（4个，平均6134千米）。

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图1. 通过卫星遥感追踪建立的来自6个种群共计56只游隼的5组迁徙路线。（图源：参考文献[1,3]）

短距种群与长距种群是在什么时间发生分化的呢？

随后，作者比对了2个短距和2个长距种群中共计35只游隼的基因组重测序结果，并结合地球气候历史数据进行了统计分析和计算机模拟。结果显示，由冰期变化引起的适宜栖息地变化与游隼的数量和分布变化密切相关。作者推测游隼的迁徙路线在末次盛冰期（约2万至3万年前）至全新世中期（约5千至7千年前）间发生了方向与距离的剧烈改变，也导致了长迁徙种群的形成。

图2. 从左至右分别为：经模拟的末次盛冰期、全新世中期，以及当今的游隼繁殖地、越冬地和迁徙路线。（图源：参考文献[1]）

研究人员继续对长、短迁徙种群的基因组信息进行深度分析后鉴定出37个差异基因，其中的ADCY8基因表现最为抢眼。ADCY8基因编码腺苷酸环化酶8，后者可将ATP催化为cAMP。之前研究表明，cAMP作为第二信使参与调控记忆相关基因表达 [2]。研究人员通过功能基因组学研究证明长迁徙种群特有的ADCY8基因表达更高，并推测ADCY8通过调节游隼的长期记忆影响迁徙距离。

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最后，研究人员通过生态位建模预测了全球变暖对游隼种群和迁徙的影响。结果显示，游隼的适宜栖息地面积将不同程度的减少，尤其是西部短迁徙种群受影响最为严重。同时，西部短迁徙种群的迁徙路线会缩短，而东部长迁徙种群的迁徙路线会延长。

图3. 全球气候变暖对游隼未来栖息地和迁徙距离的影响。（图源：参考文献[1]）

德国阿尔弗雷德·韦格纳研究所亥姆霍兹极地和海洋研究中心（Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research）西蒙·利索夫斯基（Simeon Lisovski）和马克斯·普朗克进化生物学研究所（Max Planck Institute for Evolutionary Biology）米里亚姆·利德沃格尔（Miriam Liedvogel）在《自然》发表观点文章称，该研究是多学科交叉的很有价值的范例，为我们理解自然现象提供了多角度证据，也为更好的进行动物保护提供了新策略[3]。

参考资料：

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[1] Gu Z, Pan S, Lin Z, Hu L, Dai X, Chang J, Xue Y, Su H, Long J, Sun M, Ganusevich S, Sokolov V, Sokolov A, Pokrovsky I, Ji F, Bruford MW, Dixon A, Zhan X. Nature. 2021 Mar 3. doi: 10.1038/s41586-021-03265-0. Online ahead of print. PMID: 33658718.

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[2] Wieczorek L, Majumdar D, Wills TA, Hu L, Winder DG, Webb DJ, Muglia LJ. Absence of Ca2+-stimulated adenylyl cyclases leads to reduced synaptic plasticity and impaired experience-dependent fear memory. Transl Psychiatry. 2012 May 29;2(5):e126. doi: 10.1038/tp.2012.50. PMID: 22832970.

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[3] Simeon Lisovski & Miriam Liedvogel. A bird’s migration decoded. Nature. 2021 Mar 3. doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00510-4

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