生物演化趣史(三):“厨艺高超”的基因

  广受欢迎的科普作家道金斯(Richard Dawkins,成名作是《自私的基因》)曾说过,基因是生命的蓝图,这个比喻也许动听,但它离事实其实是很远的。

  蓝图,不管是房子的还是汽车的,都是一(多)幅图画,和它所制作的东西是“一一对应”的,你可以在画面上指出哪里是檩子,哪里是椽子。

  基因不是画,如果非要用比喻的话,和它最像的东西也许是菜谱。这部菜谱写的是制造蛋白质的方法。蛋白质既是构成身体的砖瓦,也是搭建身体的工人,基因借此创造出活生生的生物。

  菜谱长得既不像动物饼干也不像葱爆羊肉,和菜肴糕点也没有严格的对应关系。如果你改动菜谱前面的字,比如放多少糖,结果不是摆在前面的几块饼干变化,而是所有饼干的味道都改变了;如果你改动最底下的字,比如烘烤的温度,饼干的最顶上一层会变黑。同理,鱼的基因长相并不像鱼,人的基因也不像人,并不会从头到脚,整齐排列出一个人形来。有些基因的作用波及全身,有些基因只管一小块地方。

  1953年,物理学家克里克(Francis Crick)、生物学家沃森(James Watson)与威尔金斯(Maurice Wilkins)共享诺贝尔生理学奖。他们证明,在生物遗传中,最重要的化学物质是DNA,并发现DNA分子的形状是双螺旋状,或者说“麻花”。生物学从此迈进了一大步。

  今天,“DNA”、“基因”和“遗传”三个词可以说是鼎鼎大名,妇孺皆知。但你可能没有想过,你不能说DNA就是基因。DNA是物质,基因是菜谱,也就是说,是信息。“书”指的是一大堆纸和一点油墨吗?基因与DNA的关系,犹如书中的信息与材料的关系。如果你有一堆纸,你可以在上面印随便哪本书,如果你有一堆DNA,你可以在上面写出鱼、人、蛤蟆的配方。

  信息的特征之一是流动性,可以从一种载体流到另一种载体,书的内容可以扫描进电脑里,也可以在登载在纸片上。基因也不例外,在制造生物的时候,基因之中蕴含的信息,从DNA流动到蛋白质上,现代科技甚至允许我们,把基因的内容输入电脑,让它变成写在芯片上的信息。

  里克、沃森和威尔金森在发现双螺旋的同时,还提出了另一个伟大发现,它有个很厉害的名字:“遗传学的中心法则”(genetic central dogma)。

  它的原理非常简单:基因里的信息流动是“单向”的。也就是说,基因里的信息能传给蛋白质,而蛋白质不能把信息传给基因。

  生物的身体造成之后,就再也不能把信息交给基因,这就导致,它无法命令基因去做任何有“意义”的事。3亿7500万年前,提塔利克鱼被凶恶食肉鱼追杀的紧急时刻,身体和基因的对话可能是这样的:

  不管鱼在泥淖里如何苦练身体,基因仍然是八风吹不动端坐紫金莲,不会根据身体的需求,产生腿的配方。根据中心法则,身体“上访”基因的这条路,根本就没开通。

  如果基因是蓝图,这种“一言堂”的场面也许还能改变。假设远古时期的鱼基因是一张袖珍鱼画,有脑袋,心脏,鱼鳍,精确地一一对应。这样,提塔利克鱼锻炼出强壮的鳍,蛋白质可以找到图纸上“鱼鳍”的一部分,把更加强壮的鳍写进蓝图,流传后世。

  然而基因是菜谱,生物是饼干,动物身体的变化,无论是锻炼出更多肌肉,还是被切掉尾巴,都很难反馈到单一的基因上。精确地按照身体的变化修改基因是不可能的。生物按照基因菜谱烹烧好之后,不管是被吃掉,放凉了、还是馊了,都不会使菜谱发生相应的变化。

  这样说来,基因好像是铁板一块,一成不变的,跟魏斯曼的观点比较相符。但是,如果生命的配方永远不变,鱼永远不可能长出腿,进化也就不可能发生。既然锻炼不能改变鱼的基因,走路的能力又是如何出现的呢?

  基因确实会改变,但是,并非蛋白质给予的,有价值的信息,而是随机的变化,也就是我们所说的“基因突变”。比如紫外线辐射,会把DNA分子打坏,太阳晒多了,会增加皮肤癌的几率,就是因为防止癌细胞产生的基因出了错误。

  有些生物的基因,甚至是一本活页菜谱,可以随时变更。细菌经常从别的细菌身上,甚至死细菌身上获得新基因,来丰富自己的配方。科学家把这称作细菌的“性”(在细菌的世界里,“性”和“繁殖”是没有什么关系的)。细菌随时可以得到新的配方,这使它们之间的 基因流动非常快,也使人类非常头痛。细菌很容易产生抗药性,因为一个细菌获得了不怕杀菌药的基因,它可以把这个配方传递到四面八方。

  基因突变是配方的变化,制造出的生物体,也可能产生变化。如果突变发生在用于繁殖的细胞(例如,精子和卵子)里,就会传给下一代,使后代变得不同。如果这个不同碰巧是对适应环境有利的,比如住在泥潭边的鱼长出健壮有力的鳍,让这条鱼可以在生存竞争中取胜,繁殖更多的后代,把新的配方传播开来。在新一代的鱼里,碰巧又产生了新的基因突变,在前一代的基础上,让鳍变得更适合走路,这些“精益求精”的鱼又成为胜者,繁殖自己的后代……积土成山,基因菜谱上“美丽的错误”不断积累,最后造成今天的腿。

  这就是达尔文的自然选择理论。它解释了一切复杂、精致的东西,从蛤蟆的腿到人的脑子,如何从零开始,在自然界产生出来,不需要“造物主”。

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