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古细菌向达尔文叫板
来源:腾讯   发布者:ailsa   日期:2018-08-23   今日/总浏览:29/1989

大科技杂志社

走极端的小怪物

世界上的生物有千千万万,我们熟悉的那些生物往往都是肉眼所见的动植物,比如一些家畜、农作物、观赏树等。其实我们人类属于体型很大的生物了,所以我们站在自己大动物的角度上观察生物界,难免有失偏颇。

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比如,很少有人知道这个世界上有一类微小的生物叫做古细菌。这些小东西只有几个微米大小,我们单凭肉眼根本发现不了它们。它们出没的地方环境恶劣,比如海底高温热泉、高盐度的水中、强酸或强碱的地方等;也有少量古细菌生活在其他动物的消化道内,比如牛这样的反刍动物、白蚁体内,有时它们也能进入人体内生存。所幸它们对包括我们在内的动物都没有危害。

这些小怪物们不仅在生活环境方面走极端,它们的内部结构也十分怪异。生物学家曾经把地球上的所有生物分成了两大类,一类是真核生物,也就是具有细胞核的生物,细胞内的生物化学反应比较复杂,比如动物和植物;另一类是原核生物,没有细胞核,以细菌为代表。但是在发现了古细菌之后,生物学家被搞糊涂了,他们想不出这些小怪物到底属于哪一类生物。

古细菌有一些原核生物的特征,比如没有细胞核;但它也有一些真核生物的特征,比如体内含有RNA聚合酶,以及合成蛋白质时的某些机制,这些特征都不可能出现在原核生物体内;同时,它竟然还有许多既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征,比如它的细胞膜和细胞壁就十分独特。

1977年,对古细菌深有研究的美国生物学家沃斯断定,这些小怪物既不属于原核生物、也不属于真核生物,而是一个独特的门类。沃斯于是提出,把地球上的所有生物划分为三大类,真核生物类、细菌类,以及古细菌类。

挑战传统进化论

古细菌不仅给生物学家制造了分类的麻烦,它们还试图颠覆生物界中一个至高无上的学说——达尔文进化论。

自从150多年前达尔文提出了科学的进化论学说后,后来的许多生物学家不断完善这个学说,到20世纪中期,他们把孟德尔的遗传学说与达尔文进化论中的自然选择学说结合在一起,形成了被大多数学者承认的现代综合进化论。

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我们可以用两句话来通俗地理解这个学说,第一句是“龙生龙,凤生凤,老鼠的儿子会打洞”,这是孟德尔提出的遗传规律,基因由父母一代传递给子女一代,同时,基因也会发生突变;第二句是“物竞天择,适者生存”,不同生物彼此竞争,通过自然界的选择,具有适应环境的基因的生物活下来,那些不适应环境的被淘汰,生物得以不断进化。

现代综合进化论的观点也被叫做达尔文式进化,认为生物的基因传递是纵向的,即在同一类生物中由父母传递给子女,不同生物之间不会出现基因的横向传递。而且,达尔文式进化还特别强调不同生物之间的隔离,认为只有通过隔离,才会产生出基因不同的新生物。

然而,当我们把视线从真核生物身上移开,研究古细菌和细菌的进化方式时,却发现它们根本不是这样进化的。这些微生物经常从周围环境中其他微生物甚至动植物那里“窃取”一些基因,为自己所用,这种基因交流方式叫做“横向基因转移”。在最近几年,生物学家才开始注意到,许多微生物的基因组中的基因大约有10%都是通过横向基因转移获得的,而不是自己通过基因突变获得。更有甚者,还有一些极端的微生物它们体内的基因有近一半都是窃取别人的基因。

显然,达尔文式进化所说的基因纵向传递、不同生物之间有隔离的规律,根本就不适用于微生物。古细菌、细菌虽然微小,但是它们若论种类和数量,绝对是生物界最显赫的分支,比我们熟悉的真核生物要庞大多了。因此,如果古细菌类和细菌类两大生物分支都不是达尔文式进化的,那我们还能说达尔文式进化是生物界的普遍规律吗?

有错能改的本领哪里来?

在达尔文式进化中,基因突变产生的有益突变传递给下一代,使下一代具有了生存优势,于是广泛传播这种有益突变。但对于以古细菌为代表生物,单个的古细菌产生出某个有益基因后,通过横向的基因交流,让种群中所有的个体都能够直接复制这个有益基因,于是整个种群变得更加强大了。

最近,生物学家沃斯认为,在生命历史的早期,达尔文式进化还没有出现,因此这种横向基因转移一定是进化的主流。他还找到了支持自己观点的证据,那就是——遗传密码。

生物体内的遗传密码实际上是由“密码子”决定的,密码子都是三个碱基组合在一起,可以对应制造特定的氨基酸,各种氨基酸组成长链,能够制造出生命活动所需的各种蛋白质和酶。比如,密码子AAU对应着一种叫做天冬酰胺的氨基酸。目前生物学家知道共有64个密码子,对应着20种氨基酸,这意味不同的密码子可以制造相同的氨基酸。

所有生物的遗传密码都是如此,而且遗传密码还“知错能改”。比如当某个碱基出现突变、基因密码被更改时,一般并不会影响生物制造氨基酸,进而制造蛋白质这些后续的进程。英国牛津大学的生物学家发现,这种匪夷所思的纠错能力不是达尔文式进化可以自行产生的,因为他们曾经用模拟软件来让一些虚拟的遗传密码以达尔文式进化的方式生存,结果它们的确出现了一些纠错能力,但是,这种纠错能力并不能在不同的遗传密码中共享,这和真实世界中所有生物的遗传密码都有纠错能力是矛盾的。

而且,不论这个模拟程序运行多少次,一些不利的遗传密码总是难以被淘汰,生物体内的遗传密码始终无法达到最优的程度。实际上,遗传密码的进化都被卡住了,找不到通向最优组合的道路。如果说真实的生物体内的遗传密码就像是一篇传世佳作,那么程序中达尔文式进化的遗传密码就像是驴唇不对马嘴的烂文,两者有天壤之别。

假如遗传密码最开始不是达尔文式进化,而是能够横向基因转移的,情况又会怎样呢?

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从横向到纵向

模拟软件显示,当遗传密码中出现的有益基因能够横向地在各个生物中流动时,遗传密码很快就找到了整体上最优的组合,而这种最优组合也是可以流动的,最终所有的生物都具有了最优组合的遗传密码。这个结果和真实的生物界是一致的。

当然我们必须承认,在现代的真核生物中,达尔文式进化还是主流。不过随着对各种动物的基因组测序工作的完成,生物学家已经发现,某些特定的基因令人匪夷所思地出现在许多风马牛不相及的动物身上,比如青蛙、蜥蜴、小鼠、猴子就共同拥有一个DNA片段,而这个片段在其他动物体内并不存在。由于这几种动物分属两栖类、爬行类、哺乳类,所以这个DNA片段并非青蛙、蜥蜴、小鼠、猴子的共同祖先遗传给它们的,否则各大门类的各种动物体内都应该有该片段。这个DNA片段应该是在某个动物体内产生后,通过横向基因转移,传递给了几种与自己不同类的动物身上。

所以,横向基因传递不仅控制着古细菌和细菌的进化步伐,它还影响着我们这样的多细胞动物,虽然它对多细胞动物的影响可能相当有限。

我们该如何更全面地看待生物界的进化呢?沃斯提出,生命早期的进化可能经历了一系列的阶段。

第一阶段,生物界出现了一个普遍的、基础性的遗传密码,它让所有的生物都同意“开放门户”,允许彼此共享有益的基因,这就给后来的基因交流提供了一个平台。这个密码有点像我们现代互联网中的“创新共享协定”。

第二阶段,生物之间开始出现大量的横向基因转移,许多有益基因出现并得到传播,生物界很快变得很复杂,出现了许多新的生物。

第三阶段,一些生物比如真核生物的复杂性达到了相当高的程度,此时如果不对基因交流加以限制,生物就会因为遗传密码更新太快,有益的基因反而会被淘汰。于是,许多限制基因横向转移的遗传密码出现了,当这种限制变得很强大时,基因的交流就变成了只能在同种生物间出现,而且由父母传递给子女。对,这就是达尔文式进化。

达尔文的时代,人们对古细菌和细菌的情况知之甚少,所以我们不能苛求他提出的进化论会适用于这些微生物。但是在我们已经对微生物世界有了深入了解的今天,如果我们还对它们独特的进化方式视而不见,拿着达尔文式进化生搬硬套,就太不应该了。向提出进化论的达尔文致敬,同时,我们也要向开拓我们思路的古细菌致敬!

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