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封面人物 |张国捷:加盟浙大,开启疾病与演化研究的新领域

发布时间:2022-06-23来源:浙江大学融媒体中心作者:柯溢能0

35岁成为哥本哈根大学终身教授,也是当时该校最年轻的终身教授。

他是全球最早开展生物多样性基因组学探索的学者之一,组织了多项国际大科学研究计划深入研究生物多样性的起源和演化机制,并利用演化生物学理论和方法开展人类基因和疾病演化相关研究。

他从2018年起连续多年入选全球高被引学者,《科学》杂志曾两次组织专刊发表其领导的多项研究成果,仅202011月至20225月,团队在《细胞》、《自然》主刊发表了7篇文章。

拥有这份近乎完美简历的,是40岁的演化生物学领域的顶尖学者张国捷。2022年初,他加盟浙江大学医学院,开启致力揭开物种起源和生命演化规律的新征程。 


用数字重构生命之树

在《物种起源》的最后一页,达尔文写到,无数美丽与不可思议的生命,都从如此简单的开端演化而来,并依然在演化之中,这是何等壮丽!

浙江大学求是讲席教授张国捷便深耕于这壮丽的生命演化领域,在基因组学技术的推动下,他和团队利用数字化的物种信息重构多个物种类群的生命之树,从生命大数据的比较分析中挖掘生命演化的规律溯源,推溯物种的起源过程、揭示物种环境适应和复杂表型的演化机制。

物种如何起源是生命科学领域最基本的问题之一。达尔文提出共同祖先理论后,科学家们开始用树状结构来描绘物种之间的亲缘关系和演化过程。过去的一百多年,针对如何构建准确的生命之树学术界展开了大量的研究讨论,但在许多生物类群里,真实演化过程仍旧是未解之谜。其中,鸟类就是典型的代表。由于经历了快速的物种大爆发,鸟类的演化关系依旧是该领域最具挑战性的问题。

张国捷创立的丹麦生物多样性基因组研究中心的隔壁,正好是一座有着400多年历史的自然历史博物馆,拥有全球60%的鸟类物种标本。这也为他组织领导了国际万种鸟类基因组计划提供了基础。

张国捷团队于2010年开始提出并尝试利用全基因组信息重构生命之树,团队基于全基因组信息的新方法,重新解析鸟类演化之路,为彻底解决被誉为物种演化研究领域最困难问题之一的现生鸟类的起源与演化关系带来了曙光。2014年,张国捷带领的国际联盟重构出鸟类目级别演化关系图,被誉为最接近真实历史的鸟类生命之树。目前,张国捷继续引领着这一研究方向,其领导的国际联盟将继续深耕,以彻底解决鸟类演化之谜。

构建物种关系树只是回答物种多样性起源之谜的第一步,物种如何演化出绚丽多彩的形态和生理功能是该领域另一个基础问题。今年5月,张国捷团队的又一成果在《细胞》发表,这一研究解释了困扰学界近半个世纪的谜题,即经历过物种大爆发物种类群里,为何经常出现形态相似性与物种关系不符,为构建生命之树造成极大的障碍。

张国捷说:“对于这一古老而崭新的学科,充盈着令人探索的激情。”他的团队利用前沿的技术,综合计算科学、材料学、生态学、古生物学、基因组学及医学等领域,不断地探索生物多样性形成的奥秘。

 

加盟浙大新建生命演化研究中心

有机生命与无机物的重要区别点在于前者有其自身独特的演化规律,即遗传变异和自然选择规律,可以说演化理论是赋予生物学作为独立学科的重要基础,这也是为什么达尔文《物种起源》的发表被视为现代生物学起源标志的原因。

正当国际同行如火如荼冲刺在这个赛道时,国内研究者却寥寥。

2018年张国捷组织了第一届亚洲演化生物学会议,希望借助这一国际会议激发更多学生对演化生物学感兴趣,从而带动国内演化生物学领域的发展。原本计划两百多人的会议容量,却吸引了900多人参加,其中很多是来自全国各地的学生。当看到有学生因为对生命演化领域的兴趣自费来参会时,回国的想法在张国捷心中萌发。

了汇聚更多有志于演化研究领域的优秀青年科学家坚持基础研究,张国捷一直梦想成立一个中心,与志同道合的同行一起促进国内演化生物学的发展,并推动与其他学科的交叉创新。

这样的想法,与海纳江河的浙江大学一拍即合。他全职加盟浙大后,学校旋即成立了浙江大学生命演化研究中心。张国捷介绍,演化医学将是中心的重要方向之一,“许多人类疾病是人类基因组缓慢变化与环境快速变化之间不可调和的产物,同时许多疾病是演化过程中某些适应性变化的伴生结果,演化生物学和医学融合将会更有助于全面理解人类疾病的起源动因。”

“疾病的发生是遗传变异的产物,变异也是演化的动力。”张国捷说,面向这一前沿领域,需要不同领域同行一起开拓思维,打破学科边界。

 

研究是从好奇心出发的探索

目前,第一批浙江大学本科生已经进入张国捷的实验室。

他每天会花很多时间与同学们一个个交流,培养大家对研究的兴趣。“兴趣是最好的老师,在这位‘老师’的引导下,同学们能够在较短的时间里储备未来研究新理论和实验操作新技能。”

在张国捷的办公室里有一个玻璃缸,乍一看以为要养鱼,但张国捷却说是用来养蚂蚁的。“我的博士期间的工作就是研究蚂蚁。”他说,“从小我就对蚂蚁的分工和社会行为感到好奇,建立自己实验室后我就决定深入研究蚂蚁社会分工的起源和发育调控的奥秘。”

为此,他也是最早将基因组技术应用到非模式物种研究的学者之一。

何发现研究线索?

张国捷说,大自然就是一个绝佳的天然实验室,经历漫长的时间洗礼,自然选择已经做了很多实验,筛选出丰富的生物表型。“大自然中有各种各样的实验组和对照组,结合演化理论,可以从中揭示许多生命演化过程中的未解之谜。”

针对研究向何处去,张国捷建议学生先从生物学问题入手,依据问题来设计实验和收集数据。演化理论为许多生物学现象的研究提供了很好的框架和入手点,而各种生物学现象的起源往往是人类最好奇的问题。他认为,研究本身是满足自己的好奇心,为此开展探索寻找答案是一个充满乐趣的过程。

“科研过程大多时间是在试错,失败的想法比最后完成的往往要多。”张国捷说,科研过程需要耐心,看准问题,缜密设计,谨慎论证。

文字记者:柯溢能 图片由受访人提供)