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古細菌向達爾文叫板


大科技雜志社

走極端的小怪物

世界上的生物有千千萬萬,我們熟悉的那些生物往往都是肉眼所見的動植物,比如一些家畜、農作物、觀賞樹等。其實我們人類屬于體型很大的生物了,所以我們站在自己大動物的角度上觀察生物界,難免有失偏頗。

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比如,很少有人知道這個世界上有一類微小的生物叫做古細菌。這些小東西只有幾個微米大小,我們單憑肉眼根本發現不了它們。它們出沒的地方環境惡劣,比如海底高溫熱泉、高鹽度的水中、強酸或強堿的地方等;也有少量古細菌生活在其他動物的消化道內,比如牛這樣的反芻動物、白蟻體內,有時它們也能進入人體內生存。所幸它們對包括我們在內的動物都沒有危害。

這些小怪物們不僅在生活環境方面走極端,它們的內部結構也十分怪異。生物學家曾經把地球上的所有生物分成了兩大類,一類是真核生物,也就是具有細胞核的生物,細胞內的生物化學反應比較復雜,比如動物和植物;另一類是原核生物,沒有細胞核,以細菌為代表。但是在發現了古細菌之后,生物學家被搞糊涂了,他們想不出這些小怪物到底屬于哪一類生物。

古細菌有一些原核生物的特征,比如沒有細胞核;但它也有一些真核生物的特征,比如體內含有RNA聚合酶,以及合成蛋白質時的某些機制,這些特征都不可能出現在原核生物體內;同時,它竟然還有許多既不同于原核細胞也不同于真核細胞的特征,比如它的細胞膜和細胞壁就十分獨特。

1977年,對古細菌深有研究的美國生物學家沃斯斷定,這些小怪物既不屬于原核生物、也不屬于真核生物,而是一個獨特的門類。沃斯于是提出,把地球上的所有生物劃分為三大類,真核生物類、細菌類,以及古細菌類。

挑戰傳統進化論

古細菌不僅給生物學家制造了分類的麻煩,它們還試圖顛覆生物界中一個至高無上的學說——達爾文進化論。

自從150多年前達爾文提出了科學的進化論學說后,后來的許多生物學家不斷完善這個學說,到20世紀中期,他們把孟德爾的遺傳學說與達爾文進化論中的自然選擇學說結合在一起,形成了被大多數學者承認的現代綜合進化論。

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我們可以用兩句話來通俗地理解這個學說,第一句是“龍生龍,鳳生鳳,老鼠的兒子會打洞”,這是孟德爾提出的遺傳規律,基因由父母一代傳遞給子女一代,同時,基因也會發生突變;第二句是“物競天擇,適者生存”,不同生物彼此競爭,通過自然界的選擇,具有適應環境的基因的生物活下來,那些不適應環境的被淘汰,生物得以不斷進化。

現代綜合進化論的觀點也被叫做達爾文式進化,認為生物的基因傳遞是縱向的,即在同一類生物中由父母傳遞給子女,不同生物之間不會出現基因的橫向傳遞。而且,達爾文式進化還特別強調不同生物之間的隔離,認為只有通過隔離,才會產生出基因不同的新生物。

然而,當我們把視線從真核生物身上移開,研究古細菌和細菌的進化方式時,卻發現它們根本不是這樣進化的。這些微生物經常從周圍環境中其他微生物甚至動植物那里“竊取”一些基因,為自己所用,這種基因交流方式叫做“橫向基因轉移”。在最近幾年,生物學家才開始注意到,許多微生物的基因組中的基因大約有10%都是通過橫向基因轉移獲得的,而不是自己通過基因突變獲得。更有甚者,還有一些極端的微生物它們體內的基因有近一半都是竊取別人的基因。

顯然,達爾文式進化所說的基因縱向傳遞、不同生物之間有隔離的規律,根本就不適用于微生物。古細菌、細菌雖然微小,但是它們若論種類和數量,絕對是生物界最顯赫的分支,比我們熟悉的真核生物要龐大多了。因此,如果古細菌類和細菌類兩大生物分支都不是達爾文式進化的,那我們還能說達爾文式進化是生物界的普遍規律嗎?

有錯能改的本領哪里來?

在達爾文式進化中,基因突變產生的有益突變傳遞給下一代,使下一代具有了生存優勢,于是廣泛傳播這種有益突變。但對于以古細菌為代表生物,單個的古細菌產生出某個有益基因后,通過橫向的基因交流,讓種群中所有的個體都能夠直接復制這個有益基因,于是整個種群變得更加強大了。

最近,生物學家沃斯認為,在生命歷史的早期,達爾文式進化還沒有出現,因此這種橫向基因轉移一定是進化的主流。他還找到了支持自己觀點的證據,那就是——遺傳密碼。

生物體內的遺傳密碼實際上是由“密碼子”決定的,密碼子都是三個堿基組合在一起,可以對應制造特定的氨基酸,各種氨基酸組成長鏈,能夠制造出生命活動所需的各種蛋白質和酶。比如,密碼子AAU對應著一種叫做天冬酰胺的氨基酸。目前生物學家知道共有64個密碼子,對應著20種氨基酸,這意味不同的密碼子可以制造相同的氨基酸。

所有生物的遺傳密碼都是如此,而且遺傳密碼還“知錯能改”。比如當某個堿基出現突變、基因密碼被更改時,一般并不會影響生物制造氨基酸,進而制造蛋白質這些后續的進程。英國牛津大學的生物學家發現,這種匪夷所思的糾錯能力不是達爾文式進化可以自行產生的,因為他們曾經用模擬軟件來讓一些虛擬的遺傳密碼以達爾文式進化的方式生存,結果它們的確出現了一些糾錯能力,但是,這種糾錯能力并不能在不同的遺傳密碼中共享,這和真實世界中所有生物的遺傳密碼都有糾錯能力是矛盾的。

而且,不論這個模擬程序運行多少次,一些不利的遺傳密碼總是難以被淘汰,生物體內的遺傳密碼始終無法達到最優的程度。實際上,遺傳密碼的進化都被卡住了,找不到通向最優組合的道路。如果說真實的生物體內的遺傳密碼就像是一篇傳世佳作,那么程序中達爾文式進化的遺傳密碼就像是驢唇不對馬嘴的爛文,兩者有天壤之別。

假如遺傳密碼最開始不是達爾文式進化,而是能夠橫向基因轉移的,情況又會怎樣呢?

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從橫向到縱向

模擬軟件顯示,當遺傳密碼中出現的有益基因能夠橫向地在各個生物中流動時,遺傳密碼很快就找到了整體上最優的組合,而這種最優組合也是可以流動的,最終所有的生物都具有了最優組合的遺傳密碼。這個結果和真實的生物界是一致的。

當然我們必須承認,在現代的真核生物中,達爾文式進化還是主流。不過隨著對各種動物的基因組測序工作的完成,生物學家已經發現,某些特定的基因令人匪夷所思地出現在許多風馬牛不相及的動物身上,比如青蛙、蜥蜴、小鼠、猴子就共同擁有一個DNA片段,而這個片段在其他動物體內并不存在。由于這幾種動物分屬兩棲類、爬行類、哺乳類,所以這個DNA片段并非青蛙、蜥蜴、小鼠、猴子的共同祖先遺傳給它們的,否則各大門類的各種動物體內都應該有該片段。這個DNA片段應該是在某個動物體內產生后,通過橫向基因轉移,傳遞給了幾種與自己不同類的動物身上。

所以,橫向基因傳遞不僅控制著古細菌和細菌的進化步伐,它還影響著我們這樣的多細胞動物,雖然它對多細胞動物的影響可能相當有限。

我們該如何更全面地看待生物界的進化呢?沃斯提出,生命早期的進化可能經歷了一系列的階段。

第一階段,生物界出現了一個普遍的、基礎性的遺傳密碼,它讓所有的生物都同意“開放門戶”,允許彼此共享有益的基因,這就給后來的基因交流提供了一個平臺。這個密碼有點像我們現代互聯網中的“創新共享協定”。

第二階段,生物之間開始出現大量的橫向基因轉移,許多有益基因出現并得到傳播,生物界很快變得很復雜,出現了許多新的生物。

第三階段,一些生物比如真核生物的復雜性達到了相當高的程度,此時如果不對基因交流加以限制,生物就會因為遺傳密碼更新太快,有益的基因反而會被淘汰。于是,許多限制基因橫向轉移的遺傳密碼出現了,當這種限制變得很強大時,基因的交流就變成了只能在同種生物間出現,而且由父母傳遞給子女。對,這就是達爾文式進化。

達爾文的時代,人們對古細菌和細菌的情況知之甚少,所以我們不能苛求他提出的進化論會適用于這些微生物。但是在我們已經對微生物世界有了深入了解的今天,如果我們還對它們獨特的進化方式視而不見,拿著達爾文式進化生搬硬套,就太不應該了。向提出進化論的達爾文致敬,同時,我們也要向開拓我們思路的古細菌致敬!

本文由 ailsa 編輯發布
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