候鸟迁徙迷路的原因,候鸟迁徙追踪器

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撰文 | 解茵茵

责编 | 计永胜

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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。

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？

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）。

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。

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：

[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.

[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.

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

中科院团队揭秘鸟类迁徙路线形成原因和关键基因

3月3日，中科院动物研究所研究员詹祥江实验室在《Nature》（自然）在线发表关于鸟类迁徙的研究论文。团队通过整合多年卫星追踪数据和种群基因组信息，建立了一套北极游隼迁徙系统，揭秘其迁徙路线的主要形成原因和长距离迁徙关键基因。

北极游隼卫星追踪和迁徙系统 中科院动物研究所供图

世界上每年有数十亿只候鸟在繁殖地和越冬地之间迁徙，迁徙路线几乎遍布全球。候鸟的迁徙路线如何进化而成？当前如何维持？在未来气候变化下可能有何改变？不同的迁徙策略是否有其遗传基础？这些问题是鸟类学和行为学关注的重要科学问题。詹祥江实验室和国内外多家研究机构合作，历时6年，在北极圈自西向东的主要繁殖地为56只游隼佩戴卫星追踪器，构建出一套北极游隼迁徙系统。卫星追踪发现，这些北极游隼主要使用5条迁徙路线，在种群和个体水平上具有非常高的迁徙连接度和重复性。同时这些种群的迁徙距离显著不同：西部两群短距离迁徙（平均3600公里），东部四群长距离迁徙（平均6400公里）。

种群动态推断及潜在繁殖、越冬地重建结果显示，在末次冰盛期到全新世的转换过程中，因冰川消退而带动的繁殖地向北退缩以及越冬地变迁，可能是游隼迁徙路线形成的主要 历史 原因。对于当前的迁徙路线，研究发现不同路线之间的环境异质性很强，环境巨变区域与迁徙路线边界高度吻合，且路线之间的差异与选择性遗传分化的相关程度明显大于中性遗传分化，从而说明环境的差异及相关的本地适应在维持当前迁徙路线中发挥重要作用。

通过对长短迁徙种群基因组的对比分析，研究首次发现了一个和记忆能力相关的基因ADCY8在长距离迁徙种群中受到了正选择，实验证明长、短迁徙种群主要基因型存在功能差异，揭示了长时记忆可能是鸟类长距离迁徙的重要基础。研究通过模拟预测，在未来全球变暖日益严重的情境下，亚欧大陆西部的北极游隼种群可能会面对两方面的威胁，即迁徙策略的改变和主要繁殖地的退缩。

编辑/高艳

候鸟迁徙为什么不会迷失方向？

每年春秋两季，候鸟要在繁殖区与越冬区之间作定时的迁徙。世界上有1/3以上的鸟，每年都参加迁徙的行列。

许多观察表明，候鸟的迁徙是遵循着一定路线的。这种路线年年不变，即使有某种程度的变更，候鸟最终还是能够飞到原来生活过的地方，而且还会找到自己所筑的老巢，绝对不会发生差错。燕子就是其中的一例。

候鸟迁徙为什么不会迷失方向呢?原来世界上的候鸟，不管是白天飞行，还是夜间飞行，它们都有一种特殊的导航本领。科学家们经过反复观察与研究发现，在白天飞行的鸟，多数是根据太阳的方位、高度来定向的。夜间飞行的鸟，是依靠星空来识别方向的。当星星从东转向西的时候，鸟体内的生物钟会帮助它保持原来的飞行方向。

有的生物学家认为，某些生物(包括鸟在内)能够依据天空偏振光来定向，即生物脑部有一种十分完善的“微型计算机”，它能根据视觉和其他感觉信息，算出目标所在的方向和最短的路程。

人们还认为，候鸟也能利用地球磁力线来确定飞行的方向。此外，某些鸟类对超声波特别敏感，它们在高空飞行时，能听到远处的雷雨声，还能听到1000千米以外的波涛声。也许，它们就是凭借着这种特殊的本领识别方向，修正迁徙路线的。