蜜蜂基因组：一个社会的秘密

蜜蜂最近成为了第三种加入基因组测序俱乐部的昆虫。这让科学家得以一窥蜜蜂社会令人惊叹的秘密，并有助于揭开蜜蜂的身世之谜。

自从人类基因组工程进入收尾阶段，随着测序技术的进步，越来越多的生物加入了基因组测序俱乐部。从病毒到杨树再到小鼠和黑猩猩，越来越多的基因组序列为科学家提供了珍贵的信息，这也让关于基因组测序的新闻变得不那么引人注目了。

如果说人类基因组计划启动之初曾经被比作生物学的登月计划，那么今天一种生物基因组测序的完成可能不过是一次普通的太空旅行。但是，上个月科学家公布的一种生物的基因组序列似乎有着不同寻常的意义，尽管这个故事的主角——蜜蜂——似乎微不足道。

2002年，美国国立卫生研究院把西方蜜蜂列入了优先测序的物种名单。2004年，第一份蜜蜂基因组的草图公布。在今年10月26日出版的《自然》杂志上，来自13个国家数十个科研机构的将近200名科学家组成的蜜蜂基因组测序联盟，公布了他们对蜜蜂基因组的测序结果和分析。

这组科学家用4年的时间，测定了这个拥有约2．36亿个碱基对的蜜蜂基因组(相当于人类基因组的不到1/10，一共辨别出了超过1万个基因。在蜜蜂基因组测序的基础上，科学家已经对蜜蜂进行了多项研究。在同一周出版的《科学》、《美国科学院学报》和《基因组研究》杂志上，分别发表了数篇相关研究的论文，涉及蜜蜂的进化历史、生理特点以及社会行为。蜜蜂基因组测序负责人之一、美国休斯敦贝勒医学院的乔治·韦恩斯托克 George Weinstock 对《科学》杂志说，对蜜蜂社会行为的理解才是蜜蜂基因组测序的最大回报。

从非洲起飞

人类和蜜蜂互动的历史至少可以追溯到数千年前。在距今7000年前的岩洞壁画上，可以看到人类从野生蜂巢中收集蜂蜜的场景。蜜蜂的驯化给人类带来了许多好处，最直接的就是蜂蜜这种可口的食物。此外，由于蜜蜂是一种授粉昆虫，它对于人类的农业也有重要的意义。

但是蜜蜂起源于何时何地?此前学者大多认为蜜蜂起源于亚洲。美国生物学家E.O.威尔逊（E.O. Wilson)在30多年前提出：非洲是蜜蜂的故乡，这个理论直到今天才得到验证。凭借新的蜜蜂基因组，美国伊利诺依大学香槟分校的生物学家查尔斯·维特菲尔德(Charles Whitfield）和他的同事追踪了蜜蜂的身世。他们分析了蜜蜂基因组的1000多个单核苷酸多态现象(DNA上单个“字母”的突变)，结果发现蜜蜂曾经两次“走出非洲”——恰如人类起源于非洲然后逐渐迁徒到欧亚大陆和美洲大陆。

他们发现，一股蜜蜂移民从非洲进入西班牙，然后迁徒到了中欧和俄罗斯，另一股蜜蜂移民则从非洲来到了南欧地区，然后进入了亚洲。这两个蜜蜂群体虽然同在欧洲，它们的亲缘关系却较远。

蜜蜂传入美洲大陆则是在较为晚近的时候，最早可追溯到17世纪早期。50年前的1956年，南美洲的巴西引入了一种非洲蜜蜂——就是后来著名的“杀人蜂”。这些非洲蜜蜂逐渐取代了当地的“欧洲”蜜蜂，成为第三次“走出非洲”的蜜蜂。

在今年10月6日出版的《美国科学院学报》上，美国康奈尔大学的蜜蜂专家布莱恩·丹福斯(Bryan Danforth) 等人公布了他们对于蜜蜂家谱的研究成果。在比较了蜜蜂的5个基因和数十种野蜂和胡蜂的对应基因后，他们发现蜜蜂最有可能起源于非洲。

蜜蜂更早的身世还有待科学家探索。至少，科学家已经排列出了蜜蜂同其他膜翅目昆虫的进化树(也就大致确定了这些昆虫之间亲缘关系的远近)，这项成果发表在今年11月出版的《基因组研究》杂志上。此外，科学家还在10月27日出版的《科学》杂志上报告了他们发现的一块来自缅甸的野蜂琥珀化石——这块年龄大约1亿年的琥珀中包裹着一只野蜂。科学家从这个野蜂化石中发现了它用于采集花粉的身体结构——这显示出蜜蜂从以其他动物为食的捕食者进化成了授粉者。这样，蜜蜂的起源可以一直追溯到恐龙时代。

社会的意义

在蜜蜂加入基因组测序俱乐部之前，这个俱乐部已经有了两位昆虫成员：果蝇和一种按蚊。很显然，科学家有很好的理由要求测出这两种昆虫的基因组序列。果蝇是遗传学实验室最常用的实验生物之一，科学家称之为模式生物。测出果蝇的基因组可以让科学家更好地操纵这个“模型”。按蚊的基因组测序带有人道主义色彩，因为按蚊是疟疾的传播媒介。在非洲每年有数千万人感染疟疾，其危害不亚于艾滋病。测出按蚊的基因组可以帮助科学家找到对付疟疾的新方法。但是蜜蜂有什么独特之处呢?

蜜蜂是最典型的社会性昆虫之—，高度组织、分工明确的社会形态让其他昆虫相形见细。相比之下，果蝇简直就是一群乌合之众。在一个典型的蜂群中，有一个占支配地位的蜂王，其下是无数为她工作的工蜂“臣民”(与其说是臣民，不如说她们都是蜂王的女儿)，以及只负责交配的短命雄蜂。即便看上去几乎一模一样的工蜂，也存在社会分工。一些工蜂负责照料蜜蜂的幼虫，另外一些则负责修建蜂巢、收集花蜜和花粉。

工蜂的智慧常常令人感到惊叹。一只工蜂可以飞到数千米外寻找可供采集口粮的花朵，它不但可以辨别并记住不同的花，还能飞回蜂巢告诉同伴蜜源在何处。这就是著名的蜜蜂“舞蹈”。如果蜜源距离蜂巢较远，工蜂会跳一种8字舞，告诉同伴蜜源的方位(以当时的太阳作为参照物)和距离。如果蜜源就在附近，工蜂就会跳圆形舞。奥地利生物学家卡尔·冯·弗里施(Karlvon Frisch)因为破解了蜜蜂舞蹈的秘密而获得了1973年诺贝尔生理学或医学奖。然而，蜜蜂的脑只有不到芝麻粒那么大，其中只有100万个神经元(相当于人类大脑神经元数量的100万分之一)。

科学家选择蜜蜂作为测序对象，正是由于它独特的社会特性。一些科学家认为，人类社会与蜜蜂王国有一些类似之处。研究社会行为的生物学基础，这是社会生物学的工作。一些在动物身上进行的研究已经表明了基因、环境和行为之间是如何相互影响的。

但是科学家没法直接对人类社会进行过于激进的实验。“科学家不能改造人类社会——诸如分裂家庭或者建立同一年龄的人组成的社区。”《自然》杂志在同期发表的一篇社论中指出，“但是科学家可以对蜜蜂这样做，然后观测这些干预对于蜜蜂基因和生理的影响。蜜蜂的用处在这里：它和我们一样既复杂又熟悉，又和果蝇一样，很容易在对照条件下加以研究。”

科学家已经找到了蜜蜂不同于其他非社会性昆虫的一些特征。在11月的《基因组研究》杂志上，伊利诺依大学香摈分校的休·罗伯逊(Hugh Robertson)和凯文·沃纳(Kevin Wanner)报告说，他们在蜜蜂基因组中找到了大约165个与气味感受器有关的基因。而在果蝇和按蚊的基因组中，这类基因的数量只有蜜蜂的一半。这种现象很容易理解，因为蜜蜂需要通过气味辨识敌我和寻找合适的花朵。

虽然蜜蜂的嗅觉灵敏，它们的味觉却相对迟钝。在蜜蜂的基因组中，科学家只找到了10个与嗅觉感受器有关的基因。相比之下，果蝇有68个这类基因，按蚊有76个。罗伯逊说，蜜蜂不需要太多的味觉感受器，因为蜜蜂幼虫生活在蜂房里，由成年工蜂喂养，而开花植物进化出了一些吸引蜜蜂授粉的机制，蜜蜂就不需要发展出多余的味觉感受器。此外，由于蜜蜂集体生活在蜂巢中，它们负责制造外壳(用于保护自身)的蛋白质的基因就较少。

科学家也在寻找其他和蜜蜂行为有关的生物学特征。伊利诺依大学香摈分校的神经生物学家吉恩·鲁宾逊(Gene Robinson)和同事探测了数千个基因在蜜蜂的脑中是如何表达的，以及保幼激素(阻止昆虫成年的一类激素)对这些基因的影响。这些基因在蜜蜂的脑中是否被激活，影响着蜜蜂行为的变化。

但是这些研究仅仅是一个开端。“蜜蜂基因组的破解者已经开始在分子遗传学的层次上研究(蜜蜂的)这些显著的社会特征。”社会生物学的创始人E.O. 威尔逊在同期《自然》上发表评论说，“这个DNA测序是朝着回答一个社会进化基本问题迈出的重要一步，也就是在基因组的层次上，是什么造就了一种高级的群居昆虫?随着这项研究的拓展，科学家将很快着手研究第二个同等重要的问题：到底是什么造就了一个社会性昆虫物种?”

原载《中国青年报》2006年11月8日

引自《蜜蜂杂志》2006（12）