施鵬：萬物生長離不開進化之光

徐芳芳

“進化生物學其實是一門非常傳統的學科。”提到自己的科研領域，中國科學院昆明動物研究所黨委書記、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，有人發現了這一抹芬芳駐足欣賞，還有人對溝渠瓦礫的環境中能健康生長的植物產生了濃厚的探究興趣，而進化生物學就是這樣一門研究生物生存、發展的神奇學科。

“世間萬物都是進化的產物，我們就想知道它們是如何在自然環境下生存演變的，以及這樣的變化能夠為人類帶來什么貢獻。”在施鵬看來，動植物的生物進化研究與人類的生存發展息息相關，“假如我們知道了青藏高原上的動物是如何適應高原低氧環境的，那必然將有利于人類解決高原反應問題并進一步征服高原。”

與自然更近一步

19世紀中葉，達爾文創立的以自然選擇為核心的進化論思想，第一次對整個生物界的發生、發展，做出了唯物的、規律性的解釋，推翻了特創論等唯心主義形而上學在生物學中的統治地位，使生物學的發展發生了巨大變革。從那以后，“物競天擇、適者生存”等經典觀點在全世界廣泛流傳開來，影響深遠。

施鵬2014年在青海進行野外科學考察

近200年來，隨著遺傳學、生態學等其他相關學科的發展，進化生物學得以不斷補充、發展和完善。目前，基因組學的快速發展，以及其他前沿技術的應用，為進化生物學的發展提供了有力支持，也為施鵬解決進化問題提供了更多手段。

對環境的適應是生物生存繁衍的基本前提。生物適應性進化的分子機制也因此成為進化生物學研究中最基本、最重要的問題。不過以往的研究多針對單個基因或基因家族進行，雖然對適應性進化的分子機制有了初步的認識，但面對動物適應環境的多樣性與復雜性，局部的、個別的研究方式已被證明很難揭示動物適應環境的本質。

為了解決這些問題，從新世紀初開始，施鵬就與團隊集成了數據、技術和理論的最新進展，采用生物信息學、分子進化以及功能驗證等多種分析手段，從單個基因、基因家族及全基因組等不同視角，建立了一個全局的、整體的研究體系來探討自然選擇對相關基因及基因組進化的影響，以揭示基因序列和功能的演化與動物適應性的關系。

針對影響動物自身生存能力最重要的3個環節——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、嗅覺受體相關基因，食物消化和吸收相關基因，能量代謝相關基因，在具有代表性的多個物種中進行了系統深入的研究。通過分子進化分析，他們發現無論在單個基因、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物適應性進化的主要表現形式。同時，他們發現，基因家族中成員數目的變化在動物適應環境的過程中也具有不容忽視的作用。這一重要的發現也提示著過去基于基因序列突變而形成的中性進化理論可能遠遠低估了其他遺傳形式對適應性進化的貢獻，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期刊上陸續發表后，引起了國際國內動物分子遺傳學和進化基因組學界的廣泛重視和關注，并受到國際同行和媒體的關注，包括Science Now、Nature China、Faculty of 1000 Biology等國際著名學術評論期刊和媒體均對施鵬團隊的研究成果予以專門報道。

2013年，團隊參與研究多年的成果“動物適應性進化的分子機制”獲得了云南省自然科學獎一等獎。同年，施鵬個人還獲得了國家杰出青年科學基金資助，負責主持“哺乳動物適應性進化的遺傳學機制”項目。

在動物適應性進化方面，施鵬創新性建立了應用適應性進化的理論來解析動物復雜性狀遺傳基礎的新研究范式。這一范式的建立不僅解決了長期以來懸而未決的進化可預測性難題，而且為遺傳學表型與基因型的研究提供了一條嶄新的思路。與此同時，利用這個研究范式，他還解析了哺乳動物回聲定位、高原適應等復雜性狀的遺傳基礎，并為生物多樣性資源挖掘和可持續利用提供了新的研究驅動力。

“我們上學時可能了解到蝙蝠是利用回聲定位的，但通過長期研究，我們發現蝙蝠只是回聲定位這個大類群中的一種，還有另一個哺乳動物類群是通過回聲來定位的，這也是在生物多樣性領域的重要發現。”施鵬介紹。

在“哺乳動物適應性進化的遺傳學機制”項目中，利用所掌握的豐富野生動物資源和第二代測序技術，他帶領團隊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組織的轉錄組進行測序，基于蝙蝠物種演化模式和分子進化規律，在全基因組范圍內篩選在回聲定位蝙蝠種類中發生趨同進化的基因。進一步在更多哺乳動物物種中對候選基因的深入分析發現，它們的氨基酸序列能夠使具有回聲定位的哺乳動物聚到一起，提示這些基因在回聲定位物種中都發生了趨同進化。此外，基于表達水平，篩選在回聲定位蝙蝠中具有趨同表達模式的基因，并進一步在組織內衡量表達水平，對這一類候選基因進行確認。最后，通過體外功能實驗，對這兩類候選基因進行功能證實。在這些結果的基礎上，他帶領團隊從不同層面對哺乳動物回聲定位的適應性進化機制進行了全面闡述：基于適應性分子進化理論，闡明了回聲定位相關基因的進化機制和演化歷程；通過構建功能通路和調控網絡，探討了回聲定位相關遺傳元件之間的相互作用及其在回聲定位中的作用，并在此基礎上，探討了蝙蝠回聲定位這一復雜性狀快速產生的進化遺傳機制和演化歷程；通過體外轉基因或靶向基因敲除實驗，以及轉基因動物的行為學實驗研究，進一步闡明了哺乳動物回聲定位的適應性分子遺傳機制。

“進化生物學其實就是一門探索自然、研究自然規律的學科，首要的就是需要我們擁有對大自然的好奇心。”施鵬說道。在他看來，萬物生長自有其規律可循，但只有擁有強烈的好奇心才會對一花一草的枯榮、千奇百怪的動物產生探索的欲望，“有了這些欲望才會驅使你不斷探索，深入研究”。

在新一輪競爭中占據制高點

探索自然是第一步，人類的終極目標還是回歸于自身的發展上。

“進化生物學不僅研究生物進化的過程、證據、原因、規律等，探索這些規律能給人類帶來哪些貢獻也是我們研究的重點方向。”施鵬說道。近幾年來，他的核心工作之一就是通過動物復雜性狀的相關研究來解決一些人類慢性病問題。

“人類的疾病其實就是復雜性狀，過去這些年來，我們在人類疾病研究方面已經形成了一系列研究模式，但對于動物來說還比較少。我們希望把動物進化思想形成一個理論，并最終應用于人類疾病研究，也就是通過動物進化理論看復雜性狀的形成機理，從一個嶄新的角度來解決人類疾病問題。”施鵬介紹。

動物復雜性狀是動物長期適應進化的結果，也是動物多樣性存在的主要基礎，對復雜性狀調控的失衡是人類重大慢性病發生的內在原因，而對其形成規律的認識對家養動物經濟性狀的改良和動物特殊功能的仿生也有重要意義。因此，系統解析動物復雜性狀的成因不僅是一項揭示大自然本質規律的基礎性前沿科學工作，而且具有重大的應用前景。但由于動物復雜性狀的形成機制十分復雜，其長期以來一直是一個科學難題，面臨難以追溯、難以預測、難以調控的困難局面。系統解析動物復雜性狀，了解其形成的內在規律，迫切需要開拓新的研究思路。

在此背景下，2014年6月，中國科學院戰略性先導科技專項（B類）“動物復雜性狀的進化解析與調控”啟動會在昆明召開。該項目以中科院昆明動物研究所為依托單位，聯合中國科學院動物研究所、遺傳與發育生物學研究所、上海生命科學院、水生生物研究所、數學與系統科學研究院和深圳先進技術研究院等單位共同實施，領銜科學家共有兩位，施鵬就是其中之一。

“這個項目就是典型的多學科交叉融合項目，說起來容易，但做起來非常困難。”回憶項目攻關經歷時，施鵬不禁感嘆。

其實，僅從近十家聯合單位的名稱就能看出項目的復雜程度。除了進化生物學之外，僅光學科領域就涉及了遺傳與發育、基因組研究、數學與系統科學等，其中最難的就是與跨度最大的數學領域的融合。

“你要將生物的東西用數學家能聽懂的語言講清楚，然后數學家研究的東西又要能夠為生物所用，這個融合過程太困難了。”施鵬說道。好在所有人的目標都是一致的，為了解決項目研究中出現的問題，近5年攻關過程中他們召開了無數次會議，不斷學習、分享、融合。最終，多學科交叉反而成為了項目最大的亮點之一，而給生物學家帶來極大挑戰的數學領域最終也給他們帶來了完全不一樣的嶄新發現。

與德國人類營養學研究所的同事們在一起

為了突破以往動物復雜性狀研究的瓶頸，他們在項目中采用了與之前完全不同的研究方式，通過大尺度、跨物種的進化比較，系統整合不同動物物種遺傳因子—發育網絡進化—表型適應性3個層面的全面數據，突破了靜態描述和表象關聯的局限，解析動物復雜性狀的成因。他們將這種研究動物復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研究和非模式物種遺傳操作技術的突破性進展，同時也得益于數學領域重要計算范式的引入。數學家們設計完成的整合生物學知識限制條件的數據挖掘建模算法，為eGPS理論的可視化動態建模探索提供了理論和技術支撐。

在這一專項中，他們緊緊抓住了科學和技術發展的新趨勢，以系統集成和多學科交叉的方式實現動物復雜性狀研究從目前GWAS（全基因組關聯分析）范式到eGPS范式的轉移，為人類慢性疾病的防治、畜禽經濟性狀的改良和動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和技術革命中占據一個重要的制高點。

經過幾年的研究驗證，“動物復雜性狀的進化解析與調控”專項獲得了系列突破進展，并作為此領域開創者之一，引領了國際遺傳發育與進化理論研究。與此同時，為了充分整合資源，提高數據使用率，實現資源共享，在先導專項支持下，他們還以先導專項產生的組學數據為基礎，建立了集數據匯交、存儲、整合、管理與共享為一體的公共組學數據平臺，支撐先導專項多項科研論文的數據共享與發布，獲得Cell、Nature、PNAS等20余本國際期刊的認可，由此形成了中國自主的組學數據管理體系，具有重要的戰略意義。

“進化生物學發展至今，在世界范圍內的研究中心經過了幾次遷移，從最早達爾文的英國時期到20世紀三四十年代的美國時期，再到世紀之交華人科學家的崛起，其中歷程非常曲折。作為科研工作者，我們的最大目標就是希望能夠做出一點成績，能夠為中國在這個領域帶來一些具有影響力的成果，對于一個科學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？有的人可能會答麗江、大理、西雙版納，也有人會說蒼山、洱海、瀘沽湖，而在施鵬看來，云南不僅是動植物的天堂，也是他科研生涯的殿堂。

作為生物文明重要的發祥地之一，云南不僅是全國植物種類最多的省份，同時也是動物種類最多的省份，素有“植物王國”與“動物王國”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、三級重點保護和發展的樹種有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、亞洲象等在國內也僅分布在云南。

“對于進化生物學而言，云南是個從事研究的好地方。可能我們的經濟發展程度不如中東部地區，但在進化生物學研究領域，云南是名副其實的風水寶地。”施鵬說道。也正因如此，20世紀末大學畢業后，從小熱愛自然、喜歡研究動植物生存發展奧秘的施鵬，選擇了離家千里、坐落于云南的中國科學院昆明動物研究所讀博深造。在他眼中，這里是動植物王國，也是進化生物學的王國，“對進化生物學的興趣驅使我來到云南，同樣也驅使我在出國訪問研究之后再次回到云南”。

2007年，在國外學習、掌握了世界前沿技術研究方法之后，施鵬第一時間選擇了重回云南，并結合國內外學習研究經歷，開始了嶄新的征程：利用新一代測序技術，運用自然選擇理論在基因組范圍內探討基因型和表型的關系；結合生物信息學和功能實驗的方法來研究動物適應環境的分子機制；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病機理及新的疾病相關基因資源的挖掘。

十幾年來，結合世界領先的技術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水寶地碰撞出燦爛的火花。因在進化生物學領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獎一等獎、中國科學院“王寬誠西部學者突出貢獻獎”等。

2016年，在科研之外，他又迎來了另一個重擔——擔任中國科學院昆明動物研究所副所長，并主要負責人才管理工作。眾所周知，人才引進一直是縈繞在西部研究所發展歷程中的難題，不是所有人都能像施鵬一樣只從科研領域本身的角度去考慮工作地點，到底該如何為地處云南的中國科學院昆明動物研究所招納更多優秀人才呢？

“在人才引進方面，我們選擇了3條路并行發展，即學科特色、硬件設施與培養體系。”施鵬介紹，“首先就是需要建設自己的學科特色。作為經濟較為落后的西部地區研究所，如果所有學科研究都能在中東部進行，別人肯定不會來。之后還要有良好的硬件設施、大型科研平臺，筑巢引鳳來。最后，還要在內部搭建年輕人培養體系，形成一種良好的上升機制與氛圍，吸引年輕人。歸根結底，只有不斷發展、強大的研究所才能吸引、留住人才。”

為了不斷提高研究所在國內外的影響力，來到云南后的施鵬，與老一輩科學家一樣，始終奮戰在世界生物多樣性演化、保護和利用研究的最前沿，帶領團隊取得了一批高水平研究成果，造就了一批優秀科學家，取得了良好的社會效益和經濟效益，為國家和地方的發展做出了重要貢獻。

在他們的帶領下，如今的中國科學院昆明動物研究所，先后獲得國家自然科學獎二等獎5項、國家技術發明獎二等獎1項、國家科技進步獎3項，并多次獲得省部級及中國科學院重要獎項；擁有“遺傳資源與進化國家重點實驗室”“中國科學院動物模型與人類疾病機理重點實驗室”兩個主要研究單元，建設有“云南省動物模型與人類疾病機理重點實驗室”“云南省活性多肽研究與利用重點實驗室”等4個省級重點實驗室，“國家昆明高等級生物安全靈長類動物實驗中心（P3實驗室）”“國家非人靈長類實驗動物資源庫”等8個支撐機構與技術平臺，以及“云南無量山西黑冠長臂猿監測站”和“云南大山包黑頸鶴監測站”兩個野外臺站……

每一項榮譽與成就都得之不易也令人欣喜，但在施鵬的眼中這些還遠遠不夠。對于誕生于國外的進化生物學而言，國內的研究起步較晚，要取得更多的話語權與影響力還需要科學家們不斷努力。“我們的目標從來沒有變過，一方面繼續探索自然，取得更多原創性成果，提高國人話語權；另一方面培養更多接班人，學科發展的關鍵歸根結底還是在年輕人身上。我們這一代人在老一輩科學家的研究基礎上取得了目前的一些成績，希望現在的年輕人能進一步超越我們，取得更大的成就。”施鵬說道。