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复制错误和自私基因,什么是生命的本质?

曾梦龙2020-03-31 13:30:33

“人类在 DNA 复制中犯下如此多的错误,怎么还能存在于世呢?”

《孟德尔妖:基因简史》

内容简介

从细胞生物到人类,跨过 40 亿年的岁月,是何种力量在主宰着生命进化的脚步?人类 DNA 由 66 亿个字母组成,复杂如斯,是否已经抵达进化之力的天花板?基因编辑能否使人类变得更复杂、更智慧?

随着生命体复杂度的提高,繁衍的难度随之提高。本书回溯生命惊心动魄的进化历程,如侦探一般解开生命处理错误复制信息的精妙机制,以及解释如何迫使自私的基因在身体里精诚合作。

作者简介

马克·里德利(Mark Ridley),任职于牛津大学动物学系,现为剑桥大学圣凯瑟琳学院和牛津大学李乃科尔、奥里尔和新学院研究员。

书籍摘录

前言(节选)

当外星人乘坐飞船抵达地球,他们会兴奋地发现:我们的地球是行星中少有的已经进化出复杂生命的星球之一。在外星人涉足的每一颗有生命的行星上,类似地球上的病毒和细菌已经司空见惯,裸露的生物分子和简单的单细胞对于外星人来说更是再熟悉不过了,因此,他们对这些简单的生命会简单地表述为:“它们的基本构成为碳元素,使用 DNA ,它们以电磁辐射和化学资源为动力,会进行自我复制。”不过,宇宙中只会有一小部分星球拥有像地球这样的生命形式 — 诸如有超级计算机般大脑的人类、张开双翼翱翔的白天鹅以及花朵对称、花瓣精致、香味诱人的玫瑰等。复杂的生命形式都是由细胞组成的,每一个体的发育都是从一个细胞开始,逐渐成长为具有器官形式的成体,并可能会具有乐虎国际app下载行为。

在感受复杂生命的旅程中,外星人会发现:与简单的生命形式不同,那些复杂的生命形式是那样引人入胜、妙趣无穷。浩渺宇宙中,任何一种奇观都比不上生命形式尽全力自我繁殖的景象美妙。

外星人会问的第一个问题是,当地球上的生命复制遗传分子时,会产生多少个复制错误。然后他们开始了更为有趣的报道,比如“整个复制流程使用了 DNA ,加上大约有 50 种的催化酶。它们每复制 10 亿字符就会出现一次复制错误,不过看起来问题不大”。由此,外星人可以这样推论,即“大型生物有 10 亿个或更多长度的 DNA 密码和每一个体有一百个左右的细胞世代,对了,它们还懂得使用性……”。还有一些看起来没那么明显但很重要的结果:“但这些生命的性行为很让我们震惊。它们只从同类中的另一半挑选配偶,剩下一半则被排除在外,与潜在的择偶毫无关系,这是一种择偶前的禁忌。无论如何,对于这样的择偶游戏,我们要用一些大型的生命加以说明。它们可以追逐那些具有不同曲调的歌舞者,获取编码的那些生物,会随着十个不同的择偶舞曲获取编码 — 从 10 首不同的择偶舞曲中每个获取十分之一。地球生命摒除配偶十分之九的编码所遇到的困难,与它们在产卵过程中遇到的麻烦相比,实在是小巫见大巫。”

复杂的生命形式是大自然的杰作,我想探探其中究竟。人们对复杂生命的疑问实在是少之又少。化石遗迹告诉我们,生命可能很容易进化,但复杂的生命是很难进化的,甚至根本没有进化。简单生命的诞生可能是瞬间发生的,但是进化出复杂的生命可能会遇到一些难免的困难,也许需要经历漫长的几个阶段之后才能被进化出来。

我在本书中的观点是,产生复杂生命形式的主要困难在于准确地复制所有的基因。同时,我们需要比简单生命更多的 DNA 来编码复杂的生命形式。人类就是复杂生命的代表 — DNA 约由 66 亿个字母构成,基因编码约有 10 万个。相比之下,细菌的 DNA 是 200 万~ 300 万个字母长,基因编码只有 2000 ~ 3000 个。随着 DNA 长度的增长,复制错误也会变得越来越多,这就像抄写不同长度的书面文本。一个抄写员如果抄的是标语,抄错了一句也并没什么大不了,他只需要立即扔掉重新写一张。但是如果抄的是《圣经》,在抄写员大约一年半的工作时间内,想要不出任何错误就比较难了。

想要进化出复杂的生命,就需要有一种类似挽救“抄写错误”的机制来处理 DNA 的复制错误。最早的生命形式可能每 100 字母中就会出现一个复制错误,但是细菌出现时已将这个比例减小到了 10 亿个字母出现一个错误。这种巨大的进步得益于对 DNA 原版的复制(它是一种令人印象深刻的防错分子)以及一种校对和修复错误的分子机器。不过这可能已经是细菌提高自身复制精度的极限了。这项基本的 DNA 复制机制从那时起一直在生命中运转着,人类产生的复制错误也与细菌差不多。不过,我们的总错误率要比细菌高得多,因为我们使用了更多的 DNA 编码。我们的DNA 分子的长度要比细菌长 1000 倍,并且每个 DNA 已开始每一个世代复制 100 次,而细菌每代只复制一次。增长的复制次数让我们的总错误率上升了 10 万倍,细菌每 1000 个子代才会犯一次的错误,我们的每一个后代都会犯 100 次。人类在 DNA 复制中犯下如此多的错误,怎么还能存在于世呢?这似乎是一个悖论。关于这个问题还没有确切的答案,也许可能是因为性。性可以将错误集中在某些子代身上,从而使其他后代相对无错。有性的生命形式可能比自我复制的生命形式在进化上更复杂。

在解决复制错误问题的同时,性别也带来了新的问题。在无性繁殖的生命形式中,亲本的每一个基因都被传给了子代: 100% 的基因都是由所复制的亲本提供。而人类,以及所有通过性行为诞生的复杂生命形式中,父母中的某一位传给后代的基因大约只有 50% 。

基因传递从 100% 到 50% 的减少可能是一个艰难的进化步骤。当每一个基因的遗传机会被削弱到一半时,自然选择会偏爱“自私的基因”,从某种意义上说,可以用理查德·道金斯(Richard Dakwins)的著名表达表明:这些基因能扰乱系统,同时让自己被传递的概率超过 50% 。在这些“自私的基因”被驯服时,才可能进化出复杂的生命。

与本书相关的两个大主题都与错误有关。第一种错误是在复制 DNA 时被动复制错误 — 突变错误。第二类是主动的,即自私基因因其不合作和颠覆行为进而危害个体。这两种错误都威胁着复杂生命的存在,它们还与自己的解决方式有关。在复杂的生命中,解决复制错误的主要方法是有性生殖。但是地球上的复杂生命使用了一种特殊的遗传方式 — 孟德尔式的有性生殖。 150 年前,格雷戈尔先生在布鲁恩(现捷克共和国境内)的圣汤玛斯修道院的豌豆园中描绘了这种遗传方式。孟德尔遗传学说设想的,是阻止自私基因的破坏行为。

在进化意义上,基因只是凭借着被遗传时发生的概率在进化,因为(被遗传的)的幸运基因是随机(抽签)抽出来的。孟德尔遗传的一个基本特性是,你无法预测一个特定基因是否会被遗传。如果可以预测哪些基因在后代中生存,哪些物种将死亡,自然选择就不可能带来复杂的生命形式。注定死亡的基因会反叛,整个系统就会崩溃。上帝也许会通过掷骰子决定物理定律和化学定律,而不需要在生物进行自我复制繁殖的简单阶段掷骰子。但是,复杂生命的进化需要一个具有像掷骰子那样,有确定的随机方式的遗传机制。

在细菌出现和人类出现之间的某个时刻(也许在简单蠕虫的阶段)上帝必须开始采用随机方式。生命开始使用一个随机化的遗传系统,从这个时刻之后的复杂生命形式,亲代都必须使用随机化的孟德尔式过程来将基因传递给子代。

孟德尔遗传理论阐释了复杂生命的基因是怎么遗传的。其中综合了性别、生殖和基因的可能性而不是某种特定的基因遗传。孟德尔本人是一位奥古斯丁修士,我喜欢把机会机制想象成一个略似修道士的形象 — 孟德尔妖,他是亲本体内基因的国王,他会决定这些基因是否会在下一代遗传,与哪些其他的基因被遗传给下一个世代。孟德尔与近现代物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(JamesClerk Maxwell)几乎是同时代人,著名的(或相当著名的)“麦克斯韦妖”(Maxwell’s demon)是以他的名字命名的。孟德尔的思想发表于 1866 年;五年后,麦克斯韦妖面世了。麦克斯韦妖是一个假想的妖怪。假设一个容器分成了两个部分,只允许分子在一个方向上的快速移动流动,可以(很容易地)使容器的一部分热而另一部分冷。

麦克斯韦妖是一个反随机化的妖怪,他反对分子的随机运动,并产生了一个更有序的容器状态,也就是说,它有一个热的一半和一个冷的一半,而不是恒温。相比之下,孟德尔妖是一个更现实的,它是一个随机化的,通过反抗自然选择的破坏力来创造有序的状态(也就是复杂的生命)。

复杂的生命依靠孟德尔妖,而且复杂生命也许在 10 亿或 20 亿年前孟德尔妖聚集之时才开始进化。麦克斯韦妖可能违反了物理学定律,难以发现规律。孟德尔妖则是规律的强化者,它将生物学规律重新导向一个更有创造性,而不是破坏性的方向。孟德尔妖并不深奥。熟悉 UNIX 计算机操作系统的人能看出这两个妖怪与计算机任务中“守护进程”的类似之处。道德哲学家可能会想到幸福论(endemonism),他们将行为是否促进幸福作为评判标准。古典主义者可能会想到欧盟的奥波维亚,这意味着幸福或好运。异教徒可能会想到幸运女神。孟德尔妖是基因公正性的执行者,我们的生存离不开它。

本书旨在探索一些生命深层次的、具有普遍性的特征。其中一些特征,如性,是众所周知的存在主义谜题,还有一些其他问题,如决定遗传基因如何传递的生殖细胞减数分裂,都提出了深刻但少有人知的构成主义谜题。减数分裂是一个决定性的细胞分裂,它让每个基因的存活率只有百分之五十。减数分裂使基因的数量减少一半。那么为什么它不是通过减少基因数量而是通过加倍呢?为什么恶魔只在基因数量减少的两个阶段中起作用呢?事实证明,减数分裂制造的“复制烟雾弹”是迷惑自私基因的小技巧。因而我们将性和遗传过程,理解为促使复杂生命进化的根本属性。

理解深刻又普遍的生命属性是一件十分惬意的事情。这也吸引我们预测地球上将会被发现的其他复杂生命形式 — 包括地球上的未来生命,以及在宇宙中独立进化出的生命。我们可以预测,所有的复杂生命形式都会使用类似有性繁殖和孟德尔遗传的随机化程序。

但是地球的复杂生命的其他特征可能更像是一个意外,比如性别。

性别是复杂生命的一个普遍特征,与性和孟德尔遗传学密切相关,但它的存在可能是一个偶然。包括人类自身的复杂生命形式细胞,细胞内会有两套独立的基因。孟德尔妖只让其中一套运行良好。之所以每个细胞有两套基因,是因为大约20亿年前的一次偶然的细胞合并事件。两个简单的细胞合并成一个细胞,于是将两套基因就合并到一个细胞中了。拥有两套基因的细胞面临的难题,就如同两家企业合并后很难去统一它们的管理层。通常情况下,企业合并后,两家企业中的一个管理团队会提出辞职,这与人类两性的生殖细胞很类似。男性会将精子中的一组基因射出,女性把它保留在卵子中。这种机制长期运行的后果是巨大的,精子因为排除了所有的潜在麻烦基因,精子的尺寸已经萎缩;卵子却会一直保持大个头,甚至不断增大。精子在变小,数量却比卵子多很多,这是交配市场供求关系的经济学基础。因此,所有的现代男性女性差异(在进化过程中)都可以追溯到过去的一次细胞偶然合并事件。如果复杂的生命不是通过细胞融合而发展的,今天的生物将不会有性别。对于外星人朋友来说,性别将是地球上复杂生命的最令人困惑的特征。如果他们已经阅读了我们的 DNA 并发现了代码中隐藏的细胞融合事件,他们才可能理解它。

复制错误和自私基因是本书的两大主题。第一章和第二章解释了复杂生命的悖论、地球上复杂生命的历史以及复杂性的基因数标准。第三章到第四章是关于生命如何进化以处理被动复制错误,第六章到第八章是关于为了处理“主动自私”基因,生命是如何进化的。我用第三章到第八章的理论来看待人类在当前和最近的过去(第九章)和更复杂生活的可能未来的演变(第十章)。一些新兴的生殖和遗传技术,如基因治疗和长期保存年轻时的配子,在复杂生命的宏大历史进程中具有新的意义。它们可能是自从35亿年前细菌进化以来的第一个新的误差减少机制。目前,由于复制错误率太高,某些复杂的生命已经灭绝。如果降低复制错误率,可能会使智力或社会组织中出现具有超过人类复杂性的生命形式演变。另一种方法是,允许结合灵活的生命形式进化,超过人类复杂性的生命将包含了几个物种的 DNA 密码,但是每一代只使用这些物种中的一种。一种灵活的生活形式可能包含鱼、树、鸟和人的 DNA 密码。一个人也许有机会在生命的早期选择最好的成长形式,同时关闭所有其他形式的代码。我会在书的末尾讨论这些想法。


题图来自:flickr

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