跳跃的基因 (下)

来源 :飞碟探索 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ahqmchy
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  这种特殊的基因似乎游刃有余地在微生物世界中游走多时,然后一纵身,横向跳进那些和不同种细菌生存关系密切的病毒、植物、真菌和昆虫当中。
  最近,在研究一种捕食沃尔巴克氏体的病毒时,来自田纳西州范德比特大学的詹森·梅特卡夫和塞斯·波登斯坦发现了横向基因转移界的拿破仑:一个征服了所有生命王国的小基因。通过一种叫作GH25-胞壁酸酶的基因,病毒攻击并杀死沃尔巴克氏体,这种基因编码可以攻破细胞壁防线的溶菌酶。当詹森·梅特卡夫和塞斯·波登斯坦追踪GH25的进化谱系时,他们发现了一种完全不典型的模式。GH25基因散布于整个生命之树中,在细菌、植物、真菌和昆虫中均存在。这种特殊的基因似乎游刃有余地在微生物世界中游走多时,然后一纵身,横向跳进那些和不同种细菌生存关系密切的病毒、植物、真菌和昆虫当中。“每一种生物都需要和细菌抗争,”詹森·梅特卡夫说,“如果它们能够获得一种新的抗菌防御,那将是一个巨大的进化优势。”
  有关横向基因转移,轮廓最鲜明的故事要属真菌和豌豆蚜。一些真菌、植物和细菌具有编码类胡萝卜素的基因,而类胡萝卜素是一种非常多样化而且具有颜色的分子,它们参与的生物过程从光合作用和细胞分裂, 到生物伪态和性吸引, 几乎无所不包。但之前人们在动物当中还从来没有发现过这样的基因。在所有已知的例子当中,动物需要从它们的饮食当中获取类胡萝卜素,比如火烈鸟的粉色和红色,就是通过摄取浮游生物获得的。2009年,当时还在亚利桑那州立大学工作的进化生物学家南希·莫兰,意外地发现了豌豆蚜具有类胡萝卜素基因。


红色豌豆蚜与绿色豌豆蚜

  科学家已经知道,豌豆蚜的身体根据体内所含类胡萝卜素的类别不同而呈现出不同的颜色,并且能够通过响应某种威胁而将整个群体的颜色进行转换:绿色的豌豆蚜对寄生性黄蜂更敏感,红色的豌豆蚜对瓢虫更敏感。但是这些色素的起源一直是个谜。蚜虫主要靠吸取树汁生活,其中并不含多少类胡萝卜素,并且豌豆蚜体内所含的类胡萝卜素种类繁多,与它们食用的植物中所含的类胡萝卜素非常不同。当莫兰把蚜虫体内的色素基因与很多其他物种进行比较时,最相近的基因来自真菌。在2.7亿年前,一只蚜虫可能从真菌中获得了类胡萝卜素基因:或许是它正在侵染的真菌,或许是它正在咀嚼的那个。此后,又有科学家发现蜘蛛螨和瘿蚊同样从真菌和细菌那里获得了类胡萝卜素基因。
  如果将生物界比作一棵树,那么无论你摇哪一根树枝,都会有令人惊叹的跨物种基因转移的例子像树叶一样落在你脚下。蛭形轮虫——一种长得像海蛞蝓的微小半透明动物——用来自细菌、真菌和植物的基因构建了自身基因组的8%;生活在冰冷海水中的鱼类换来编码抗冻蛋白的基因;花型硕大的大王花跟它所寄生的植物交换基因;在日本,有些人的肠道细菌从存留在海草沙拉里的海洋细菌中窃取了海草消化基因。
  发现真核生物中的横向基因转移,并不需要我们对标准的进化理论进行大修,但我们确实需要做一些重要调整。
  到目前为止,这种基因跳跃现象已经多得无法忽略了。科学家无法再将真核生物之间、原核生物与真核生物之间的基因交换说成是不重要的了。很显然,基因在生物界的不同门类中各种穿越:有时是大规模突然一跃,有时则是千年尺度上的缓步前行。诚然,很多这种旅程都是无果的:一个转位的基因会发现自己在新的宿主中完全派不上用场,或者成为与它相邻的基因元件的扫把星而遭到驱逐。旁系转移的基因可以是混乱的恶魔,把基因组打乱或者重组并导致灾难性的后果。然而,徒步前行的基因却可以让自己开始新生活,获得足够的成功,并能进一步影响生物体的存活方式,引导其进化。
  发现真核生物中的横向基因转移,并不需要我们对标准的进化理论进行大修,但我们确实需要做一些重要调整。根据教科书上的进化理论,生物体之间转移基因的主要方式是亲本传递,无论是无性克隆还是有性繁殖,都不是这种在无关联的生物体之间配送基因的鬼祟行为。现在我们必须承认,即使是在最复杂的生物体中,垂直基因转移也不是唯一的基因转移方式。
  与此相似,标准理论认为突变只能在一个物种自身的基因组中发生,而不能完全源于另一个地方。我们现在知道, 新基因的产生并不一定源于自身原始DNA的调整,也可能是因为远客的到访。“我们需要开始把基因组看成生态单位而不是孤立单位,”纽约罗彻斯特大学的杰克·沃伦说,“我们正在面对的是一个全新的范畴,其中有独特的基因进化。”
  在某些案例中,这种遗传上的跳房子游戏“可以产生一股非常强大的进化力量,”李说,“它可以引入由逐渐积累的基因突变无法获得的全新遗传特征。”想想看,一种植物从细菌那里,或者一只蚜虫从真菌那里获取基因,不是接收了开发进程当中的基因原型,而是获得了自然选择在其他生命体中孕育打磨了亿万年的强大基因。新转移的基因想跟自己的新邻居完全同步,可能还需要一些调整,但是这比从头开始由细胞分裂或者因紫外线辐射导致的突变产生一个新基因要快得多。横向基因转移开启了生物体快速获得自身无法制造的基因性状组合的可能性。
  旁系基因转移也可以通过更加细微的方式影响进化。某些种类的转移基因可以自身复制很多次,留下很多大小不一的片段或者完整的复制子。在这一过程中,它们可以对原本的DNA进行大片段重组,改变某些基因的表达方式,或者在这种重排中创造全新的基因。通过将宿主基因组扩大和多样化,这些基因移民增加了复制和编辑错误的概率,其中一些可以引发偶然现象,导致进化加速,就像在棕蝙蝠身上发生的那样。
  一股顽皮的风仍旧把DNA吹得遍地都是,在生命之树的各个树枝之间游历。
  我们可以通过重新构想生命之树来将传统进化法则和这些多种多样的研究推论结合起来。在经典的教科书中,生命之树由一个树干发出三大界——细菌、古菌(类似细菌但是其遗传学和分子生物学特性不同)以及真核生物。这三大界再分支形成所有已知的物种。每一种曾经存活过的生物都可能“起源于某种原始形态”,这是达尔文在1859年对它的描述。从表面来看,基因应该通过树干向上流动。   伊利诺伊大学的福特·杜利特尔和卡尔·沃斯认为,这种对生物界的划分过于简单。他们认为,与其说生命起源于某个单一的树干,不如说建立在一个互相交错的根系之上。他们认为,所有的生命都起源于一个原始细胞组成的几何体中激烈的DNA交换。对只具有少量基因的简单原始细胞来说,交换DNA 是获取和保存最佳环境适应性的绝好策略。
  沃斯指出, 在某个节点处,细胞达到了复杂度阈值,再接受外源基因的频繁轰击就具有毁灭性危险。一个只具有小组基因的原始细胞可以通过向自身的遗传系统中增添新基因获得很多好处,但是具有成千上万基因的更加复杂的细胞,这样做就可能会使自己通过长期自然选择协调好的精密基因组平衡被打破。所以,复杂真核细胞进化出了保护DNA 和去除外源遗传物质的机制。
  然而,在过去10年的研究中,横向基因转移并没有在真核生物和微生物之间停止。一股顽皮的风仍旧把DNA吹得遍地都是,在生命之树的各个树枝之间游历。沃尔巴克氏体、豌豆蚜和角苔都鼓励我们接受这样一个事实,它一开始让人心绪不宁,但最终会将我们引入地球上所有生命的共同体。
  面对这个事实,我们不能再佯装不同物种间的基因混合是一种非自然现象,是由我们带着乳胶手套的手操作不当而产生的某种存在。
  人们普遍认为,一个物种的DNA不应该与另一个物种的相混合。这种信念在关于转基因作物的辩论中显得格外清晰。 对立方频繁提出,科学家在不同物种间制造出的这种基因转移,不应该在实验室之外存在。把一个小麦基因导入一颗栗子树,把一个细菌基因导入玉米,或者把鱼的基因导入土豆,这些都是非自然的。这些对基因混合的粗浅误解就像丧钟一样不断长鸣。
  但遗传组成的这种改变在自然界中确实是存在的。遗传物质的跨物种重组在自然界中发生的概率远比我们意识到的要高。单凭这一点并不能让转基因食品更让人青睐,仅仅因为某些东西在自然中可以不借助人力而存在并不意味着它的本质是好或是坏。然而,面对这个事实,我们不能再佯装不同物种间的基因混合是一种非自然现象,是由我们带着乳胶手套的手操作不当而产生的某种存在。我们没有发明基因转移,是DNA自己发明的。基因考虑的事情只有一件:自我永续。如果这种保存需要某个特定基因适应一个它从来没有遇见过的基因组,如果通过寄生虫从一个物种传递到另一个被证明是极其成功的保证延续的方式,那就这么定了吧。物种之间的屏障或许可以保证基因组的完整性,但当一个单独的基因拥有通过突破这些屏障发展自己的机会时,它是不会犹豫的。
  这就是DNA 的特点:它只忠于它自己。我们倾向认为,一个物种的基因组就属于这个物种。我们对自己的基因具有强烈的所有权意识,就算我们的基因组与其他生物相重叠,也仍旧是独特的,是“人类基因组”。我们的占有欲是如此之强,以至于“将我们的DNA与其他生物的相混合”这种想法会立刻引起我们的反感。然而,对DNA而言,物种之间的这堵墙并没有那么不可逾越。在生命之树的树枝上,我们不再像原始细胞那样浸在相互交缠的树根之间古老的公用水体里,但是我们无法逃避吹来的会合之风。即使在今天,就像最开始那样,我们的基因并不完全只属于我们自己。
其他文献
想象一下,对两位看上去长得极其相似的人进行一次遗传学检查。检查结果显示,这两个人的遗传指纹几乎完全相同。这意味着什么?他们会不会是一对由于医院的失误而分开,从此失散多年的兄弟呢?  地球和月球之间也存在同样的问题,在同位素水平上(对岩石来说,同位素水平就相当于岩石的“遗传学”水平),地球和月球在本质上是完全相同的。这一问题已经困扰了科学家数十年。对月球的起源来说,这一点肯定意味着什么,但究竟是什么
期刊
对外星人来说,宇宙中物产丰饶,是这样吗?  科学家通过分析“开普勒”的数据,发现了大量系外行星。截至目前,系外行星的数量已达到1000颗,而且还有上千颗等待被确认。  从中,我们可以得到一条简单的关键信息——宇宙中到处都是行星。粗略算来,飘浮在银河系中的行星就有上万亿颗,类地行星的数量也得有100亿至1000亿颗。  这些数字都不小。由此,人们经常得出这样一个看似公允的结论:宇宙中的生命世界跟市郊
期刊
要回答这个大问题,我们得先从小问题着手,比如说,我们是怎样知道宇宙目前在膨胀的。我们敢说宇宙在膨胀,是根据我们附近星系的位置和运动。如果把我们附近星系的位置和运动放在一张图上,图中的一个轴表示时间,另一个轴表示远离我们的距离,就能看出星系距离我们越远,远离我们的速度就越快。这就暗示着宇宙在膨胀。既然测量到宇宙正在膨胀,那么将来会怎样呢?我们知道,影响这些星系运动的一个因素就是星系质量和暗物质质量的
期刊
不管在什么地方,生命只可能生存在具备宜居条件的行星上。因此,问题“宇宙间还有其他智慧生命吗”可归结为“宇宙中还有其他可居住的行星吗”。  在宇宙里,离恒星太近的行星由于温度太高,复杂的有机分子无法形成和产生,不可能有生命;离恒星太远的行星都比较寒冷,生命也不可能产生。因此,只有在距离恒星一定范围内的行星,才是生命产生的理想场所。此外,这样的行星应该有合适的质量,才能“挽留”合适的大气层。  具备了
期刊
人类骨骼的种种迹象表明,相对我们的近亲猿类,双脚直立行走是人类独有的行为。这一迹象究竟何时出现在我们的进化史中,是目前驱动人类进化研究或古人类研究的一个基本问题。  智慧进化研究所的特·加沙什维利和克瑞斯汀·卡尔森博士、统计与精算科学智慧学院的高级讲师马克·多德斯韦尔以及法国蒙彼利埃进化科学研究院的研究工程师雷诺·勒本博士共同领导的一个跨学科团队,试图利用可视化技术、工程原理和统计分析来研究长骨结
期刊
无脊椎动物古生物学专家、科罗拉多大学自然历史博物馆地质科学副教授迪纳·史密斯领导的一项新研究认为,造成现在甲虫种类多样化的原因,很可能是历史上较低的灭绝率,而不是新物种以较快的速度出现。  史密斯说:“研究甲虫为什么呈现多样化的大量工作,都围绕着这个问题:是什么促进了物种的形成。通过研究这个群体的化石我们可以看到,物种的灭绝率至少和新物种形成同样重要。也许,我们更应该集中精力来研究为何甲虫会有如此
期刊
已经是接近午夜了。科学考察船“亚特兰蒂斯”号在哥斯达黎加以西大约1600千米的海面上,在东太平洋中的一片热液喷口区域徘徊。在漆黑一片的控制室里,罗格斯大学微生物学家科斯坦蒂诺·韦特里亚尼就坐在离我几米远的地方。尽管夜已经深了,但他依旧精力旺盛。他全神贯注地盯着几十个监视器,只是偶尔用一只手摸一下他那剃得光光的脑袋。监视器上显示着从海底的遥控潜水器发回的即时影像,我们可以看到温度超过350℃的、灼热
期刊
飞机早已到达,因此我办理完登机手续后,领了一份早报就登机了。邻座是位男士,戴着一顶软呢牛仔帽,穿着一双牛仔靴。很快我便得知,他是位来自拉伯克的退休牧场工人。  报纸头版新闻说,头天晚上一颗巨大的流星划过新墨西哥州、得克萨斯州西部和俄克拉荷马州的上空。报道称,当时的景象非常壮观,拉伯克地区的很多人都吃惊不小。我对这个故事感兴趣起来,因为我见过这颗流星。场面的确很壮观,也难怪很多人把它称为UFO。可能
期刊
如果一个外星人设法从另一个平行宇宙造访我们的宇宙,很可能根本不会注意到我们的存在。  从某种意义上说,这是显而易见的:宇宙太大了,而地球只不过是一个微不足道的、淡蓝色的小点而已。但比这更糟的是:外星人可能无视所有的恒星,以及围绕恒星运转的行星,甚至可能对飘过太空的那些巨大的尘埃云也视而不见。  但是,所有这些我们熟悉的东西,仅仅占宇宙物质的很小一部分。宇宙中剩下的部分是由某些其他“东西”构成的,这
期刊
一些物理学家认为他们能够解释宇宙最初形成的原因。如果他们是正确的,那么我们的宇宙很可能就是那样凭空出现的。  几千年来,人们一直在思考宇宙存在的奥秘。关于宇宙为何存在这个问题,几乎每个古老文明都创造了自己版本的故事——大多数都把这个问题归为神的力量,哲学家也已就这个主题进行了大量的探讨。但一直以来,科学界始终未对这一终极问题进行过过多评论。  近年来,一些物理学家和宇宙学家已着手处理这个问题。他们
期刊