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復制錯誤和自私基因,什么是生命的本質?

曾夢龍2020-03-31 13:30:33

“人類在 DNA 復制中犯下如此多的錯誤,怎么還能存在于世呢?”

《孟德爾妖:基因簡史》

內容簡介

從細胞生物到人類,跨過 40 億年的歲月,是何種力量在主宰著生命進化的腳步?人類 DNA 由 66 億個字母組成,復雜如斯,是否已經抵達進化之力的天花板?基因編輯能否使人類變得更復雜、更智慧?

隨著生命體復雜度的提高,繁衍的難度隨之提高。本書回溯生命驚心動魄的進化歷程,如偵探一般解開生命處理錯誤復制信息的精妙機制,以及解釋如何迫使自私的基因在身體里精誠合作。

作者簡介

馬克·里德利(Mark Ridley),任職于牛津大學動物學系,現為劍橋大學圣凱瑟琳學院和牛津大學李乃科爾、奧里爾和新學院研究員。

書籍摘錄

前言(節選)

當外星人乘坐飛船抵達地球,他們會興奮地發現:我們的地球是行星中少有的已經進化出復雜生命的星球之一。在外星人涉足的每一顆有生命的行星上,類似地球上的病毒和細菌已經司空見慣,裸露的生物分子和簡單的單細胞對于外星人來說更是再熟悉不過了,因此,他們對這些簡單的生命會簡單地表述為:“它們的基本構成為碳元素,使用 DNA ,它們以電磁輻射和化學資源為動力,會進行自我復制。”不過,宇宙中只會有一小部分星球擁有像地球這樣的生命形式 — 諸如有超級計算機般大腦的人類、張開雙翼翱翔的白天鵝以及花朵對稱、花瓣精致、香味誘人的玫瑰等。復雜的生命形式都是由細胞組成的,每一個體的發育都是從一個細胞開始,逐漸成長為具有器官形式的成體,并可能會具有智能行為。

在感受復雜生命的旅程中,外星人會發現:與簡單的生命形式不同,那些復雜的生命形式是那樣引人入勝、妙趣無窮。浩渺宇宙中,任何一種奇觀都比不上生命形式盡全力自我繁殖的景象美妙。

外星人會問的第一個問題是,當地球上的生命復制遺傳分子時,會產生多少個復制錯誤。然后他們開始了更為有趣的報道,比如“整個復制流程使用了 DNA ,加上大約有 50 種的催化酶。它們每復制 10 億字符就會出現一次復制錯誤,不過看起來問題不大”。由此,外星人可以這樣推論,即“大型生物有 10 億個或更多長度的 DNA 密碼和每一個體有一百個左右的細胞世代,對了,它們還懂得使用性……”。還有一些看起來沒那么明顯但很重要的結果:“但這些生命的性行為很讓我們震驚。它們只從同類中的另一半挑選配偶,剩下一半則被排除在外,與潛在的擇偶毫無關系,這是一種擇偶前的禁忌。無論如何,對于這樣的擇偶游戲,我們要用一些大型的生命加以說明。它們可以追逐那些具有不同曲調的歌舞者,獲取編碼的那些生物,會隨著十個不同的擇偶舞曲獲取編碼 — 從 10 首不同的擇偶舞曲中每個獲取十分之一。地球生命摒除配偶十分之九的編碼所遇到的困難,與它們在產卵過程中遇到的麻煩相比,實在是小巫見大巫。”

復雜的生命形式是大自然的杰作,我想探探其中究竟。人們對復雜生命的疑問實在是少之又少。化石遺跡告訴我們,生命可能很容易進化,但復雜的生命是很難進化的,甚至根本沒有進化。簡單生命的誕生可能是瞬間發生的,但是進化出復雜的生命可能會遇到一些難免的困難,也許需要經歷漫長的幾個階段之后才能被進化出來。

我在本書中的觀點是,產生復雜生命形式的主要困難在于準確地復制所有的基因。同時,我們需要比簡單生命更多的 DNA 來編碼復雜的生命形式。人類就是復雜生命的代表 — DNA 約由 66 億個字母構成,基因編碼約有 10 萬個。相比之下,細菌的 DNA 是 200 萬~ 300 萬個字母長,基因編碼只有 2000 ~ 3000 個。隨著 DNA 長度的增長,復制錯誤也會變得越來越多,這就像抄寫不同長度的書面文本。一個抄寫員如果抄的是標語,抄錯了一句也并沒什么大不了,他只需要立即扔掉重新寫一張。但是如果抄的是《圣經》,在抄寫員大約一年半的工作時間內,想要不出任何錯誤就比較難了。

想要進化出復雜的生命,就需要有一種類似挽救“抄寫錯誤”的機制來處理 DNA 的復制錯誤。最早的生命形式可能每 100 字母中就會出現一個復制錯誤,但是細菌出現時已將這個比例減小到了 10 億個字母出現一個錯誤。這種巨大的進步得益于對 DNA 原版的復制(它是一種令人印象深刻的防錯分子)以及一種校對和修復錯誤的分子機器。不過這可能已經是細菌提高自身復制精度的極限了。這項基本的 DNA 復制機制從那時起一直在生命中運轉著,人類產生的復制錯誤也與細菌差不多。不過,我們的總錯誤率要比細菌高得多,因為我們使用了更多的 DNA 編碼。我們的DNA 分子的長度要比細菌長 1000 倍,并且每個 DNA 已開始每一個世代復制 100 次,而細菌每代只復制一次。增長的復制次數讓我們的總錯誤率上升了 10 萬倍,細菌每 1000 個子代才會犯一次的錯誤,我們的每一個后代都會犯 100 次。人類在 DNA 復制中犯下如此多的錯誤,怎么還能存在于世呢?這似乎是一個悖論。關于這個問題還沒有確切的答案,也許可能是因為性。性可以將錯誤集中在某些子代身上,從而使其他后代相對無錯。有性的生命形式可能比自我復制的生命形式在進化上更復雜。

在解決復制錯誤問題的同時,性別也帶來了新的問題。在無性繁殖的生命形式中,親本的每一個基因都被傳給了子代: 100% 的基因都是由所復制的親本提供。而人類,以及所有通過性行為誕生的復雜生命形式中,父母中的某一位傳給后代的基因大約只有 50% 。

基因傳遞從 100% 到 50% 的減少可能是一個艱難的進化步驟。當每一個基因的遺傳機會被削弱到一半時,自然選擇會偏愛“自私的基因”,從某種意義上說,可以用理查德·道金斯(Richard Dakwins)的著名表達表明:這些基因能擾亂系統,同時讓自己被傳遞的概率超過 50% 。在這些“自私的基因”被馴服時,才可能進化出復雜的生命。

與本書相關的兩個大主題都與錯誤有關。第一種錯誤是在復制 DNA 時被動復制錯誤 — 突變錯誤。第二類是主動的,即自私基因因其不合作和顛覆行為進而危害個體。這兩種錯誤都威脅著復雜生命的存在,它們還與自己的解決方式有關。在復雜的生命中,解決復制錯誤的主要方法是有性生殖。但是地球上的復雜生命使用了一種特殊的遺傳方式 — 孟德爾式的有性生殖。 150 年前,格雷戈爾先生在布魯恩(現捷克共和國境內)的圣湯瑪斯修道院的豌豆園中描繪了這種遺傳方式。孟德爾遺傳學說設想的,是阻止自私基因的破壞行為。

在進化意義上,基因只是憑借著被遺傳時發生的概率在進化,因為(被遺傳的)的幸運基因是隨機(抽簽)抽出來的。孟德爾遺傳的一個基本特性是,你無法預測一個特定基因是否會被遺傳。如果可以預測哪些基因在后代中生存,哪些物種將死亡,自然選擇就不可能帶來復雜的生命形式。注定死亡的基因會反叛,整個系統就會崩潰。上帝也許會通過擲骰子決定物理定律和化學定律,而不需要在生物進行自我復制繁殖的簡單階段擲骰子。但是,復雜生命的進化需要一個具有像擲骰子那樣,有確定的隨機方式的遺傳機制。

在細菌出現和人類出現之間的某個時刻(也許在簡單蠕蟲的階段)上帝必須開始采用隨機方式。生命開始使用一個隨機化的遺傳系統,從這個時刻之后的復雜生命形式,親代都必須使用隨機化的孟德爾式過程來將基因傳遞給子代。

孟德爾遺傳理論闡釋了復雜生命的基因是怎么遺傳的。其中綜合了性別、生殖和基因的可能性而不是某種特定的基因遺傳。孟德爾本人是一位奧古斯丁修士,我喜歡把機會機制想象成一個略似修道士的形象 — 孟德爾妖,他是親本體內基因的國王,他會決定這些基因是否會在下一代遺傳,與哪些其他的基因被遺傳給下一個世代。孟德爾與近現代物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(JamesClerk Maxwell)幾乎是同時代人,著名的(或相當著名的)“麥克斯韋妖”(Maxwell’s demon)是以他的名字命名的。孟德爾的思想發表于 1866 年;五年后,麥克斯韋妖面世了。麥克斯韋妖是一個假想的妖怪。假設一個容器分成了兩個部分,只允許分子在一個方向上的快速移動流動,可以(很容易地)使容器的一部分熱而另一部分冷。

麥克斯韋妖是一個反隨機化的妖怪,他反對分子的隨機運動,并產生了一個更有序的容器狀態,也就是說,它有一個熱的一半和一個冷的一半,而不是恒溫。相比之下,孟德爾妖是一個更現實的,它是一個隨機化的,通過反抗自然選擇的破壞力來創造有序的狀態(也就是復雜的生命)。

復雜的生命依靠孟德爾妖,而且復雜生命也許在 10 億或 20 億年前孟德爾妖聚集之時才開始進化。麥克斯韋妖可能違反了物理學定律,難以發現規律。孟德爾妖則是規律的強化者,它將生物學規律重新導向一個更有創造性,而不是破壞性的方向。孟德爾妖并不深奧。熟悉 UNIX 計算機操作系統的人能看出這兩個妖怪與計算機任務中“守護進程”的類似之處。道德哲學家可能會想到幸福論(endemonism),他們將行為是否促進幸福作為評判標準。古典主義者可能會想到歐盟的奧波維亞,這意味著幸福或好運。異教徒可能會想到幸運女神。孟德爾妖是基因公正性的執行者,我們的生存離不開它。

本書旨在探索一些生命深層次的、具有普遍性的特征。其中一些特征,如性,是眾所周知的存在主義謎題,還有一些其他問題,如決定遺傳基因如何傳遞的生殖細胞減數分裂,都提出了深刻但少有人知的構成主義謎題。減數分裂是一個決定性的細胞分裂,它讓每個基因的存活率只有百分之五十。減數分裂使基因的數量減少一半。那么為什么它不是通過減少基因數量而是通過加倍呢?為什么惡魔只在基因數量減少的兩個階段中起作用呢?事實證明,減數分裂制造的“復制煙霧彈”是迷惑自私基因的小技巧。因而我們將性和遺傳過程,理解為促使復雜生命進化的根本屬性。

理解深刻又普遍的生命屬性是一件十分愜意的事情。這也吸引我們預測地球上將會被發現的其他復雜生命形式 — 包括地球上的未來生命,以及在宇宙中獨立進化出的生命。我們可以預測,所有的復雜生命形式都會使用類似有性繁殖和孟德爾遺傳的隨機化程序。

但是地球的復雜生命的其他特征可能更像是一個意外,比如性別。

性別是復雜生命的一個普遍特征,與性和孟德爾遺傳學密切相關,但它的存在可能是一個偶然。包括人類自身的復雜生命形式細胞,細胞內會有兩套獨立的基因。孟德爾妖只讓其中一套運行良好。之所以每個細胞有兩套基因,是因為大約20億年前的一次偶然的細胞合并事件。兩個簡單的細胞合并成一個細胞,于是將兩套基因就合并到一個細胞中了。擁有兩套基因的細胞面臨的難題,就如同兩家企業合并后很難去統一它們的管理層。通常情況下,企業合并后,兩家企業中的一個管理團隊會提出辭職,這與人類兩性的生殖細胞很類似。男性會將精子中的一組基因射出,女性把它保留在卵子中。這種機制長期運行的后果是巨大的,精子因為排除了所有的潛在麻煩基因,精子的尺寸已經萎縮;卵子卻會一直保持大個頭,甚至不斷增大。精子在變小,數量卻比卵子多很多,這是交配市場供求關系的經濟學基礎。因此,所有的現代男性女性差異(在進化過程中)都可以追溯到過去的一次細胞偶然合并事件。如果復雜的生命不是通過細胞融合而發展的,今天的生物將不會有性別。對于外星人朋友來說,性別將是地球上復雜生命的最令人困惑的特征。如果他們已經閱讀了我們的 DNA 并發現了代碼中隱藏的細胞融合事件,他們才可能理解它。

復制錯誤和自私基因是本書的兩大主題。第一章和第二章解釋了復雜生命的悖論、地球上復雜生命的歷史以及復雜性的基因數標準。第三章到第四章是關于生命如何進化以處理被動復制錯誤,第六章到第八章是關于為了處理“主動自私”基因,生命是如何進化的。我用第三章到第八章的理論來看待人類在當前和最近的過去(第九章)和更復雜生活的可能未來的演變(第十章)。一些新興的生殖和遺傳技術,如基因治療和長期保存年輕時的配子,在復雜生命的宏大歷史進程中具有新的意義。它們可能是自從35億年前細菌進化以來的第一個新的誤差減少機制。目前,由于復制錯誤率太高,某些復雜的生命已經滅絕。如果降低復制錯誤率,可能會使智力或社會組織中出現具有超過人類復雜性的生命形式演變。另一種方法是,允許結合靈活的生命形式進化,超過人類復雜性的生命將包含了幾個物種的 DNA 密碼,但是每一代只使用這些物種中的一種。一種靈活的生活形式可能包含魚、樹、鳥和人的 DNA 密碼。一個人也許有機會在生命的早期選擇最好的成長形式,同時關閉所有其他形式的代碼。我會在書的末尾討論這些想法。


題圖來自:flickr

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