王白石
地球上所有生物拥有一个共同的祖先 2009年02月10日16:02 环
球科学我要评论2 达尔文曾提出生物体的随机变异是进化的物质基础。现代科学家正一步步揭示DNA如何产生出这种多样性以及简单分子变化怎样形成复杂的生物
和文化。美国得克萨斯州一个图书馆的书架上静静地躺着一本绿色小册子。这是一本出版于150 年前的书今天已被公认为有史以来最重要的科学著作之一。当它首次印刷出版时谁也没有预想到它会在未来取得如此巨大的成就——这就是《物种起源》On the Origin of Species。当达尔文完成这本新书的校样时他拟了一份样书发送名单名单上人不多但都是相关研究领域举足轻重的科学家。然后他焦急地等待着反馈意见。美国得克萨斯大学奥斯汀分校就保存着一本样书那是达尔文在1859 年送给当时英国最著名的科学家约翰·赫歇耳爵士Sir John Herschel的。这本绿色的小书上赫歇耳的批注随处可见扉页上更是留有达尔文的赠书题字。赫歇耳是达尔文崇拜的一位科学家达尔文也正是拜读了赫歇耳的自然哲学专著之后立志要成为一名科学家的。
19 世纪30 年代赫歇耳曾将物种起源称为“谜中谜”并认为物种可能是在自然变化过程中形成的。达尔文在《物种起源》第一段就引用了赫歇耳的话并在书中向赫歇耳及全世界抛出了对“谜中谜” 的独创性解答。达尔文的理论言简意赅。他提出地球上所有生物都由一种或几种原始形式转变而来。但他并没有对生命的最初起源作出任何臆测。达尔文只是表示生命一旦产生生物就会在完全自然的情况下慢慢地发生改变
衍生出各种不同生物而且这些物种间的差异还将传给下一代。在这个过程中如果一些个体产生了有利于自身生存的变异它们就会比那些不具备有利变异的个体生存能力更强从而繁殖更多后代。这样一来有益的性状就不可避免地通过“自然选择”随着时间慢慢累积起来。为了使读者信服自发突变和差异生殖的累积效力达尔文驯化了植物、鸽子和狗经过短短几个世纪人工选择性育种它们在体型上都发生了巨大变异。科学家已经发现至少3种基因突变与浅肤色的产生有关并且认为这种变异起源于北欧。浅色皮肤有利于吸收合成维生素D所需的紫外线因而在阳光有限的地区浅肤色人更具生存优势。很快达尔文的科学同仁就意识到了这一论证的影响力。托马斯·亨利·赫胥黎Thomas Henry Huxley在读完达尔文的新书样本之后感叹“我为何
叫外卖这般愚蠢竟然想不到这一点”达尔文曾表示“赫歇耳的意见比其他人的都重要”但不
幸的是赫歇耳对他的新书的评价远不如其他人。赫歇耳不相信简单随机变异能够产生有用的新性状和物种他认为达尔文不过是在胡说八道。从赫歇耳在他那本《物种起源》上所做的批注我们不难看出他的矛头主要指向“有利的变异是任何进化的基础”这一论述。实际上达尔文并不知道这些变异性状的来源而赫歇耳则认为如果达尔文不能解释产生变异的根源那他的理论就不足以解释物种起源。达尔文理论发表之后的150 年间在基因和基因组研究中取得的显著进展让人们找到了性状遗传与进化这一关键问题的答案。今天那些追随达尔文脚步继续进化生物学研究的学者们至少已经知道我们周围的动植物具有多样性的分子基础。正如达尔文理论本身一样变异的成因往往十分简单但影响却十分深远。非常
凑巧在达尔文的著作发表之后几乎每隔50 年就会出现一些新的重要认识逐渐加深了人们对进化论的理解。揭示基因变异之谜孟德尔的豌豆试验、沃森与克里克的双链DNA 模型、人类基因组测序达尔文没有弄明白的变异之谜被一步步解开。达尔文不仅无法找出变异之源也没有解释这些新性状如何传给下一代。他相信融合遗传学说blending inheritance 即子代将综合亲代的特征呈现介于两个亲本之间的性状。但即便是达尔文自己也意识到这种理
论是有问题的因为如果性状真的会融合那么随着具有稀有新性状的个体与其他大部分不具有该性状的个体杂交这些性状将一代一代逐步消减。1900 年人们重新认识了孟德尔Gregor Mendel于19 世纪五六十年代所进行的豌豆杂交试验对于融合遗传学说的困惑就此消除。在这位奥地利孟德尔的出生地现归属捷克修道士的花园中不同豌豆植株形态有明显差异茎有高有矮种子也有的光滑有的褶皱。当把两种具有相反性状的纯种豌豆植株进行杂交时子代往往会表现出与其中一个亲本相同的性状。如果让这些子代植株继续杂交那么两个亲本的性状又都会重新完整地出现这证实遗传信息并不会在传递过程中融合消减。人们以前衔 糯 湟焓窃菔毙缘牟⑶沂强扇诤系拿系露 氖匝榻峁 谋淞苏庖豢捶ā 率瞪弦糯 湟焓怯汕状 哟 目煞掷胄宰椿箍梢源嬖谟谧哟 腥床幌韵帧?有趣的是此后不久人们就发现了细胞核中染色体的行为模式与孟德尔“遗传因子”genetic factors的遗传模式一致。在《物种起源》发表50 周年时虽然产生变异的真正原因仍然未知但人们已经意识到遗传信息以一种物质实体的形式存在在细胞核中呈现为线状的染色体到了这本书发表100 周年时染色体中的酸性聚合物大分子即DNA被确定为染色体中遗传信息的载体1953
将来的英文年沃森James Watson和克里克Francis Crick提出了DNA 分子的双螺旋结构这对我们从物理学角度来认识遗传和变异起到了巨大的启示作用。DNA 是一种长长的双链螺旋分子主链是糖与磷酸形成的聚合物。两条链通过四种碱基互补配对接合在一起。这四种碱基分别是腺嘌呤adenineA、胞嘧啶cytosineC、鸟嘌呤guanineG以及胸腺嘧啶thymineT它们是遗传语言的构成基础。就像英文字母表中的26 个字母一样这4种碱基就好似DNA 字母表中的化学字母它们在DNA 链中以一定的序列出现代表了
代理药品亲代传给子代的遗传指令。DNA 的双螺旋结构也为遗传信息提供了一种显而易见的复制机制。C 与G 配对A与T 配对将DNA 分子的两条链接合在一起它们之间的亲和性则取决于其中相应互补化学基团的大小、形状及接合性质。因此当DNA 双螺旋结构中的两条链分离时每条链中的序列就可以作为模板重建另一条互补链。根据沃森和克里克提出的DNA 结构我们马上就会想到一种可能产生自发变异的物理基础。在细胞分裂之前DNA 复制过讨兴 ⑸ 奈锢硭鹕嘶虼砦蠖伎赡芑岣谋湔 ５男蛄小； 蛲槐淇梢杂泻芏嗖煌 问蕉嗑厶逯刑囟ㄎ恢玫牡ゼ罨 没弧⒉糠中蛄腥笔А⒍嘤嗉罨 馗椿虿迦牖蛘呦钟行蛄械怪煤鸵莆弧 NA 双螺旋结构刚提出的时候这些变化还只是理论上的假设。然而在达尔文著作发表的150 周年临近之际依赖大规模DNA 测序技术人们已经能够解码整个基因组并以前所未有的精度对其中的基因变异即达尔文理论中进化过程的物质基础进行研究。通过对多种生物及其后代进行基因测序寻找DNA 在遗传过程中产生的自发变异科学家已经证实基因突变其实非常频繁当然只有生殖细胞中的基因突变才会
传给下一代所以我们可以凭借这一点来检测可遗传的基因突变。在不同物种中发生基因突变的概率是有差别的但是一般来讲在每一代中一个核苷酸出现单碱基置换的几率平均为一亿分之一。这个概率听起来好像很低但许多动植物都具有极其庞大的基因组。对于一个多细胞动物来说基因组中通常含有10 亿甚至100 亿对碱基因此每次遗传信息传给下一代时某些自发的单碱基变化就可能发生。由于DNA 中各种碱基化学稳定性及结构性质不同所以某些特定碱基置换的发生几率会较高。另外某些较长DNA 序列发生变异的频率可能会比单碱基置换频率平均值更高。如果一段DNA 中含有8 个或以上连续相同的碱基即所谓的同聚体homopolymer就非常容易在DNA 复制过程中发生错误。一
李时珍是哪个朝代的人些被称为“微卫星”的DNA 区域其中含有双核苷酸、三核苷酸或多核苷酸的重复序列也很容易出现复制错误。正是基因组中的自发变异日积月累造就了生物多样性即使对包括我们人类在内的单个物种来讲也是这样。2003 年科学家完成了人类基因组30 亿对碱基的测序堪称这一领域里程碑式的成果。4 年之后对沃森个人的基因组测序也基本完成从而使我们能够将他的基因组与此前完成的人类基因组序列以及美国塞莱拉公司Celera创始人克雷格·文特尔Craig Venter完成测序的另一个公开个人基因组序列进行比较。通过比对这三个人类基因组序列我们获得了许多有趣的启示。第一与参考基因组相比两个个人基因组都有约330 万个单碱基对存在差异也就是说每1000 个碱基对中就有一个发生变异。虽然一大段DNA 序列或整个基因缺失与插入的发生几率几百万分之一远低于单碱基变异的发生几率几十万分之一但它却是造成基因组之间碱基总数差异的主要原因多达1500 万个碱基对会受影响第二科学家还发
现许多完整的基因组区域在不同个体中的拷贝数量上也存在差异他们以前一直低估了由此反映出的基因组结构性变异直到最近才开始研究它们的意义最后人类个体基因组之间的序列差异要么改变了蛋白质编码或基因调控信息要么影响了23000 个人类基因中很大一部分基因的拷贝数量从而为人类个体之间多种性状差异提供了充足的基因变异来源。性状的分子基础同一个物种往往拥有不同的性状这都源于基因的改变。细小差别通过不断积累最终形成大的差异。只有当关于变异如何产生以及为什么会出现的问题得到解答之后赫歇耳才可能接受达尔文的理论即自然选择作用于这些性状从而通过完全自然的过程产生新生命形式。现在科学家已经知道DNA 分子中的自发改变就是生物变异的原因但如果要研究这些基因突变如何导致性状差异就非常复杂了。为了弄清这个问题就需要进入一个远远超出进化研究范围的新领域。生物学家经常将动植物经典的形态学和生理学特征与DNA 双螺旋中的原子联系起来。他们知道孟德尔的豌豆之所以有长茎短茎之分是因为在编码赤霉素氧化酶的基因中有一个鸟嘌呤被腺嘌呤所取代。在这种基因所谓的短茎变异体中赤霉素氧化酶的一个氨基酸发生了改变降低了这种酶的活性导致豌豆植株茎干中促生长激素的合成减少了95。孟德尔研究的皱褶种皮性状则是由于一种编码淀粉相关酶的基因中被插入了一段具有800 个碱基对的序列。由于这段序列干扰了酶的生成植株中淀粉合成减少糖分和水分的含量发生改变最终形成了糖分较高但种皮皱褶的种子。这段插入序列还多次出现在豌豆基因组的其他区域并且具备所有转座子transposable element 的特征转座子是指一段能在基因组中移位的DNA序列。基因组中的这种“跳跃”因子也许正是新基因变异产生的另一种普遍来源它们要么可以阻碍某种基因的表达要么通过产生新的调控序列来改变基因活动模式。进化生物学家
对生物变异本质归纳出几条理论其中一条就是无法仅通过观察一种性状来确定产生该变异体的遗传基础。例如达尔文详细地记录了鸽子、狗和其他家养动物存在的巨大形态差异。现在我们知道家养动物中许多有趣性状都是多种不同类型DNA 序列变化造成的。拉布拉多猎犬Labrador retriever有黑色和黄色之分之所以有这样的差别是因为黄色拉布拉多猎犬体内某个碱基的改变导致色素细胞中的一种信号受体失去了活性对惠比特犬whippet dog而言单一碱基改变也可以阻止一种通常抑制肌肉生长的信号从而使它肌肉发达跑得更快相比之下罗得西亚脊背犬Rhodesian ridgeback dog腹部具有奇特的条纹这是因为一个包含三种成纤维细胞生长因子基因的区域133000 个碱基对出现重复导致生长因子的数量增加了。个体间产生细小差别但无
法形成较大的结构差异。然而细小差别却可以通过不断积累最终形成大的差异。某些基因能够在胚胎发育过程中对细胞增殖与分化产生重大影响这些调控基因的变化能够导致个体大小、形状甚至身体部位数目等发生巨大改变。在进化生物学中有一个叫做进化发育生物学evo-devo的分支学科主要研究关键发育基因的变异造成的影响以及它们在进化过程中的作用。个体间产生细小差别但无法形成较大的结构差异。然而细小差别却可以通过不断积累最终形成大的差异。某些基因能够在胚胎发育过程中对细胞增殖与分化产生重大影响这些调控基因的变化能够导致个体大小、形状甚至身体部位数目等发生巨大改变。在进化生物学中有一个叫做进化发育生物学evo-devo的分支学科主要研究关键发育基因的变异造成的影响以及它们在进化过程中的作用。现代玉蜀黍的进化过程为我们展示了上述基因的强大
影响力。玉蜀黍的祖先是中美洲一种叫做类蜀黍teosinte的野生杂草它的外观与玉蜀黍完全不同。导致玉蜀黍与类蜀黍之间许多主要差异的基因已被锁定在几个关键的染色体区域内。类蜀黍的植株呈杂草状而玉蜀黍的植株则有一根主茎这是因为一种在植株茎干发育过程中控制细胞分裂模式的基因的调控区域发生了突变。类蜀黍种子原本带有坚硬矿物化外壳但由于一种决定种子发育的基因发生突变玉蜀黍种子的外壳变得柔软。当然古时候中美洲农夫在将类蜀黍培育成玉蜀黍的过程中并不知道任何有关DNA、遗传学或者发育学的知识。他们把具备优良属性的植株进行杂交无意中筛选出重要发育调控基因的自发突变体从而通过相对较少的步骤使杂草最终变成另一种形态完全不同的农作物。类似突变导致形态进化的例子也发生在完全野生的棘鱼stickleback fish种群中。一万年前在上一个冰川期结束后许多海洋鱼类迁徙到了北美洲、欧洲及亚洲新形成的湖泊、溪流中。这些种群大约经历了一万代逐渐适应了淡水环境中新的食物来源、新的捕食者以及新的水体颜色、温度和盐分浓度。现在许多淡水棘鱼品种间结构差异巨大骨板数量及大小相差可达30 倍它们有的具备完整的鱼鳍有些则没有此外下颌骨、体型、牙齿结构、防卫棘刺和体色也不尽相同——这甚至远远超过了不同鱼类之间的差异。最新的遗传学研究显示就像玉蜀黍一样这些产生明显形态改变的基因突变也被锁定在一些重要的染色体区域内。这些区域内的关键基因正是编码重要发育调控因子的基因。它们包括控制多种表面结构形成的信号分子、激活涉及肢体发育基因的分子以及一种在胚胎发育期间控制前体细胞迁移和增殖的分泌性干细胞因子。很明显进化使棘鱼拥有多种新形态这跟多种基因相关但一些特定发育调控因子的突变体却独立地重复出现于不同种群中。因此这些鱼类对于各自生存环境的适应有力地证明了随机变异能够
使生物产生巨大差异而且如果这些变异有利的话自然选择会一而再、再而三地保留它们。偶然的原子汇集赫歇耳反对达尔文因为他认为变异总是需要“思想、计划以及设计而不是由原子的偶然汇集或随机产生”但事实并非如他所述。回顾人类的进化历程能够找到更多在相对较近的时间内自然选择带来变异的例子。人类在不同的环境中会进化出不同的肤色。生活在高纬度的人肤色较浅最近研究认为这是多种遗传变异综合作用的结果其中就包括在色素细胞中一种信号受体以及转运蛋白的编码基因中所发生的单碱基突变。调控新生色素细胞迁移、增殖和存活的DNA变异也可能是浅肤色的成因之一。上述色素基因两端的DNA 区域通常较少发生变异表明浅肤色变异原本很稀少而且可能起源于一小部分人。当古人类迁入高纬度寒冷的环境时由于浅肤色更有利于在有限的阳光下合成维生素D这些变异发生的几率就迅速增加了。类似地科学家还发
6月英文现在控制乳糖lacto乳汁中的主要糖分消化能力的基因中也具有很明显的自然选择痕迹。人类属于哺乳动物能够哺育幼仔人的肠道中能产生一种酶将乳糖分解成结构较简单的葡萄糖和半乳糖。与其他哺乳动物相比人类还有一个特别之处那就是在幼年之后还可以继续将其他动物的乳汁作为重要营养源。欧洲、非洲以及中东地区一些远古文明都开创性地将牛、羊和骆驼乳汁作为食物。对大部分人类和大多数哺乳动物而言肠道乳糖酶只在哺乳期具有活性只有相关基因发生某种突变成年动物才可以消化乳汁。然而在具有悠久乳畜牧业历史的人群中一种基因变异使得乳糖酶在成年后能够继续保持活性。科学家已经发现这种遗传变异与该基因调控序列中的单碱基变异有关但是不同的乳糖耐受人群在该DNA 喜欢的味道
区域具有不同的突变。这个例子很好地证明了通过影响一个基因的独立变异可以重复进化出相似的性状。人类在营养相关方面不断适应的另一个例子则跟某个完整基因拷贝数量的增加有关。在黑猩猩的基因组中唾液淀粉酶用于分解食物中的淀粉的基因拷贝只有一份但人类该基因的拷贝数却有很大差异。这种基因在有些个体的一条染色体中就可重复出现10 次之多。如果一个人群的主食为米饭等淀粉含量高的食物那么与其他依赖狩猎和捕鱼的人群相比他们的淀粉酶基因平均拷贝数就会较高唾液中的淀粉酶水平也会较高。过去的一万年间乳畜牧业和农业都发展了起来。短短一万年只相当于大约400 代人的时间但营养来源的改变已使人类出现了新的基因变异并累积起来。赫歇耳之所以固执地反对达尔文是因为他认为简单的随机变异绝对无法产生有用的新性状。他发表了很多言论主张这些特征的出现总是需要“思想、计划以及设计而不是由原子的偶然汇集或随机产生”。赫歇耳在1859 年指出变异的成因是一个未解之谜这没有错。但经过150 年的研究我们已经可以随时分类记录一个复杂基因组在遗传过程中的多种自发性DNA 变异。只有极少数变异有机会改善原来的遗传信息以及相对应的性状而不是损害它们。但是高糖分的豌豆、发达的肌肉、更强的奔跑能力或对新食物消化能力的提高这些都源于豌豆、狗和人类DNA 序列中原子的重新组合。因此“原子的偶然汇集”能够产生有趣的新性状这一点确信无疑。而且生物体这种固有的可变性继续为进化提供着充足的原料。借用《物种起源》的结束语——“最美丽最曼妙的生命形式是由进化产生而且它们仍在不断进化之中”。撰文戴维·金斯利David Kingsley 翻译赵瑾本文来源环球科学图腾文化
