它自由地奔跑 连风也追不上
博科园：科学科普-动物类
我与Atheno初遇在一个有着耀眼阳光的下午：干热的非洲草原上，一只猎豹飞快地追在吉普车后面跑着，它的身形瘦削而矫健，风一样快，在身后扬起一道小小的尘土。车里，我的向导告诉我，它的名字叫Atheno，是一只从小生活在这个野生动物保护基地的猎豹。Atheno的母亲被当地人打伤后没能活下来，随后她的几只幼崽也相继死去。只留下一只幸免于难，在基地工作人员的悉心照料下平安长大，被大家叫做Atheno，在南非荷兰语中是幸存者的意思。
脸上挂着“泪痕”的猎豹。图片：National Zoo
猎豹（Cheetah, Acinonyx jubatus）常常被人们与花豹（Leopard, Panthera pardus）混为一谈，可两者实属于完全不同的物种。花豹与其他大型猫科动物同属豹亚种（Pantherinae），而猎豹由于不能嘶吼而被归类为猫亚种（Felinae）。它们在外形上最为明显的差别是猎豹脸上的“泪痕”和两者身上的花纹。除此以外花豹更加凶猛强壮，且善于爬树，昼伏夜出。相比之下猎豹的平均体重仅有54千克。夜视力并不突出，也不善于爬树。由于和其它大型猫科动物相比体格上处于劣势，它们经常在清晨或黄昏狮子并不活跃时捕猎。
花豹（上）脸上没有“泪痕”，身上的花纹也与猎豹（下）不同。图片：Londolozi Blog
野生猎豹幼崽的死亡率可高达90%，常常受到狮子，鬣犬甚至狒狒的威胁。尽管猎豹在体型和力量上相对弱小，却有着另一个惊人的天赋——无可比拟的速度。猎豹是陆地上奔跑速度最快的动物，并且拥有超强的爆发力，可在三秒内加速到114千米每小时。它们的解剖学和生理学特征完美的展现了什么是为速度而生：修长的四肢，小巧的头颅，加上灵活的脊椎和有力的尾巴可以使它们在全速奔跑中随时改变方向。扩大的肺，肝脏，心脏和肾上腺，保证了良好的代谢。为了在奔跑中抓地，猎豹的爪子并不能像其它猫科动物一样自由的伸缩，所以磨得相对较钝，这也在一定程度上影响了它们的杀伤力。
现代猎豹种群数量已经到了濒危的边缘，根据2016年的统计数据，非洲大陆的野生猎豹仅有不足7000只。除了在伊朗还有大约40只以外，野生猎豹在亚洲大陆已经灭绝。从上世纪五十年代开始，科学家开始尝试通过人工繁殖的方法来保护猎豹种群，帮助它们重建栖息地。但没有预料到其中困难重重：人工圈养猎豹的交配率低于17%，而幼崽的成活率仅有30%-40%。直到人工繁殖技术相当成熟的2010年代，也仅有5.58%的圈养猎豹成功繁殖。导致这一现象的一个重要原因是猎豹的生殖缺陷。在对雄性猎豹的精液放于显微镜下分析后，科学家惊异的发现，猎豹的精子数量很低，仅有其它猫科动物的十分之一。不仅如此，其中近80%的精子是畸形的。
猎豹宝宝在妈妈的看守下玩耍。图片：URYADNIKOV S
这一出乎意料的发现驱使科学家们对猎豹基因进行深一步的研究。在基因测序技术还远未普及的八十年代，美国国立卫生研究院（NIH）的基因学家Stephen O’brien和他的研究团队利用凝胶电泳（Protein electrophoresis）分离等位酶（Allozyme）的方法来间接分析遗传多样性。种群进化过程中的基因突变是一个普遍的现象，在一个基因位点，不同的等位基因编码会生成不同的蛋白质，等位酶是其中的一个例子。它们虽然功能一致但结构稍有不同，从而导致了在凝胶中的流动性差异。
对狮子，老虎，花豹，猞猁和家猫等其它猫科动物的研究显示，大约10-30%的等位酶具有多个等位基因。O’brien的研究团队首先采集了八只动物园中并无血缘关系的猎豹样本，测试了52个猫科动物等位酶，竟没有找到一点差异。这在当时是一个惊人的发现：相当于猎豹作为一个种群近亲繁殖了10到20代，几乎没有基因变体。研究团队接下来在非洲采集了30只野生猎豹的样本，进行分析后得到的结论是，猎豹的基因多样性只有其他猫科动物的1-10%。
三只成年猎豹在津巴布韦的Hwange国家公园里享受着为数不多的开放草原。图片：STPHANIE PRIQUET
基因多样性（Genetic variability）对于一个种群的生存具有极为重要的意义。首先，它为物种的进化提供了潜在的原料储备。基因多样性越丰富，物种对环境变化的适应能力越大，进化的潜力也越大。此外种内遗传多样性也有助于保持物种和整个生态系统的多样性，还可以减慢由于适应和进化所导致的灭绝过程。不同的基因变体（Genetic variants）就好比不同型号的螺丝钉。一个工匠很难只使用一种螺丝钉来建造房子，但如果工具箱里有一系列丰富的选择，他就可以运用不同的螺丝钉解决各式各样的难题。不幸的是，猎豹的工具箱里的螺丝钉少的可怜，一系列其它的研究进一步证实了这一点。脊椎动物个体基因差异性最突出的一个表现形式是组织相容性抗原（MHC)。
MHC蛋白几乎表达于所有细胞上，在进行器官移植时，如MHC不相容，就会引发免疫排斥反应。MHC的变种极多而复杂，找到完全配型的器官的几率几乎为零（除非是同卵双胞胎）。大多数情形下需要移植的患者只能使用部分配型的器官，还要经过漫长的等待。O’brien的研究团队首先从家猫身上取下小块皮肤，分别移植于自身和另一只不配型的家猫身上。自体移植的皮肤在几周内愈合，但移植到另一只家猫身上的皮肤由于其免疫系统对异己的识别和攻击，最后导致结痂脱落。同样的实验在六只猎豹（两只兄弟，四只无血缘关系）身上进行，自体移植和异基因移植的皮肤却并无差异。45天后移植皮肤上长出了毛发，显现出了猎豹斑纹。这些实验表明猎豹个体基因组的极为相似，甚至到了不需要配型就可以进行器官移植的地步。
猎豹瓶颈。图片：CitrusCollege
大部分野生动物具有避免近亲繁殖的本能，猎豹也是一样。那么是什么导致了猎豹种群内基因多样性的极度贫乏呢？2015年发表的猎豹基因组序列和相应的研究让我们看到了冰山的一角。经过推算，猎豹大概经历了两次对其种群基因产生巨大影响的“瓶颈”事件。第一次发生于大约10万年前的更新世（Pleistocene），猎豹从北美洲经过大陆桥迁徙到欧亚大陆再到非洲。这次漫长的迁徙大大减少了猎豹种群个体的数量。第二次瓶颈则发生在1.2万年前晚更新世冰河世纪的末期。在此之前，经过了大规模迁徙的猎豹广泛的分布于欧洲，亚洲，非洲和北美洲。但在冰川消融以后，它们仅仅存活于非洲，印度和中东。个体数量的急剧下降使幸存的猎豹不得不通过近亲繁殖而生存下去。猎豹的遭遇既不幸又幸运：因为在此同时有大约一百种大型哺乳动物遭到了灭绝，其中包括猛犸象，剑齿虎等动物。这此大规模生物的集体灭绝又被称为第四纪灭绝事件。
猎豹曾经挣扎在灭绝的边缘，但经过上万年的繁衍生息，到十九世纪末，它们的数量大约增长到了十万余只。极度贫乏的种群基因使它们更易受传染病的威胁，但惯于独居的个性一定程度上防止了传染病的大范围传播。当今猎豹所处的困境并不是因为自身的基因缺陷，而是人类的活动。面对人类的发展，它们已经失去了90%的栖息地，数量仅剩约7000只。除了越来越少的栖息地，它们还要面对农民的捕杀，非法交易和走私。在人口已持续膨胀到70多亿的地球上，猎豹的存在仿佛微不足道，如此继续下去，这个美丽敏捷的动物终会化为纸上的传说。而大部分人只会发出一声叹息——这只不过是成千上万伤感的野生动物消亡故事中的一个罢了。
图片来源：ANDREI DUMAN
我时常被分配到照顾Atheno，和它慢慢熟识了起来。有时夜里在外宿营，Atheno会默默走过来卧在我的身边。宿营的条件简陋，没有帐篷，尽管躺在两只睡袋里面，非洲草原冬夜里的寒意还是常常把我惊醒，醒来一睁眼便是满天的繁星。置身于灿烂的银河下，一切都是那么安静，只要屏息凝神的盯着天空，就能看到月亮移动的轨迹。我看向身边的Atheno，它盯着不远处，仿佛在警觉地听着什么。一万年前，也是在这一片星空下，当Atheno的祖先经过了冰河世纪，从容身的洞穴里走出来，却发现世界已经天翻地覆，曾经的家人伙伴都已不再，那是怎样的孤独？
它们艰难的活了下来，被迫近亲繁殖让种群繁衍下去。在我的想象里，它们脸上抹不掉的泪痕变成了对这悲情遭遇的浪漫主义解读。在那么一刻，我真切地感受到自己是宇宙和自然历史长河中的沧海一粟，我与身边的Atheno，都来自于宇宙中的星尘，本来就没有分别。忽然之间，Atheno仿佛觉察到了什么，回头看我：月光下，那双温柔的，充满了毫无保留的信任的眼睛，直直地看向我。透过那双眼睛，我确定自己看到的不再只是一只动物，而是一个猎豹的灵魂，一个与人类平起平坐的灵魂。
Atheno。图片：连夜何
临别时，我最后一次抚摸着Atheno，有那么一秒钟，我甚至觉得要把它留下，永远与它为伴。可上百年来，人类对于野生动物，不是无情的杀戮，就是自私的占有。我不曾想让自己或任何人对它的喜爱变成禁锢和牢笼。就这样我和Atheno说了再见，看着他走进了树丛深处。回到拥挤嘈杂的城市，在忙碌的实验室里进进出出，与Atheno的相遇仿佛是一个遥远而不真实的梦。
几年以后，电影《走出非洲》里的一幕深深触动了我：女主人公凯伦在情人丹尼斯的葬礼上朗读悼词：“求你收回他的灵魂，你曾与我们分享他带来的欢乐。我们深爱着他。可他不属于我们，他也不属于我。”它不属于我们，它也不属于我。一时间我仿佛又回到了那个分别的午后：烈日照在皮肤上的灼热，空气中混合着灰尘和干草的气味，Atheno皮毛柔软光滑的触感，一切都在脑海中清晰可辨。Atheno或许曾在人类的怀中依偎，可终究是属于广袤自由的非洲草原。在我离开以后，基地里的工作人员尝试将他野化并重新放归自然。时间过去很久了，我还会时常想起他，在那片没有铁丝网的广阔天地，Atheno终于可以自由奔跑，连风也追不上了吧。
我与Atheno。图片：连夜何
博科园-科学科普｜来自：原理/principia1687｜文：连夜何（剑桥大学生物化学博士）