你身体部分“组织”已有30亿岁

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——简述承载生命进化的伟大DNA


　　 2012年10月14日来源： 中国科技网作者： 冯卫东

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　　上面的字母看起来杂乱无章吧，但这段DNA序列还当真了不起。它存在于你的身体、你的小猫小狗、你餐盘里的鱼、你花园里的蜜蜂和蝴蝶乃至你的肠道细菌的所有细胞中。事实上，无论是在深海滚烫的通风口，还是冰冷的高空云层中，你都能找到地球上的生命。你甚至还可以找到一些像巨病毒这样的严格意义上并不存活的东西。

　　DNA（脱氧核糖核酸）序列之所以非常普遍，是因为它从所有生命的共同祖先进化而来，而且自从它经历了一个至关重要的进程后，几乎就不再变化。换句话说，你身体中的部分DNA已到了难以想象的30亿岁，从你的祖先一代又一代地完整地传递给你。

　　而你的另一部分DNA则是全新的。你的基因组中会有大约100个突变基因，既不属于你母亲，也不属于你父亲，可能只是一两个字母的改变，也可能是大块DNA的减少或增加。

　　通过基因组的对比，我们可以知道我们的DNA哪部分是新的，哪部分是旧的。比方说，与你的兄弟姐妹进行对比，你就会发现全新的基因突变。将人类和动物的基因组进行比照，则可揭示更古老的变化。

　　我们的基因组，并不只是创造人类的配方，它们是鲜活的历史记录。由于我们的基因组是如此巨大，含有60多亿个DNA字母，足以堆成几十米高的书堆，它们以非同寻常的细节记录了我们的过去。它们使我们得以追踪从生命诞生延续至今的进化之旅。

　　虽然我们才刚刚开始解密这些记录，但我们已经发现，我们的祖先不只面临要与尖牙利爪浴血搏斗才能生存下去的残酷局面。我们的基因组中同样发生着一场史诗般的战役，最终造就了我们的今天。

　　共同的祖先

　　最先开始有的是RNA（核糖核酸）。这个“多才多艺”的分子能存储信息和催化反应，这意味着某些RNA可以自我复制。一旦一个RNA分子（或一组分子）开始自我复制，首个基因组就诞生了。

　　RNA的缺点在于不是特别稳定，所以很早期的生命转而利用DNA来存储信息，DNA是一个与RNA稍稍不同的化学“干将”，它不太容易分裂。蛋白质也取代RNA成为催化剂，RNA则被委以穿针引线的作用。DNA存储制造蛋白质的配方，并将配方的RNA副本发送给蛋白质制作机构。

　　RNA一统世界的许多古老痕迹依然残留在我们的基因组中。例如，本文开头所示的那段无处不在的序列，是RNA酶的部分编码，其至今仍在蛋白质的合成中起着关键作用。

　　约35亿年前，生命实体已开始随基因组不断进化，这些基因组中包括有制作RNA和蛋白质的配方，最终形成“最后普遍共同祖先”（LUCA）。生命进化研究专家确信，至少有100个基因可追溯回LUCA，而LUCA总共有1000多个基因。

　　LUCA拥有的很多核心机构在今天的所有生命中仍可找到，包括制造蛋白质的机构。然而，它可能与我们今天所知的生命完全不同。一些研究人员相信，LUCA根本就不是一个离散的、膜结合细胞，而是一种在非生命区隔内（如碱性深海热泉的气孔）进行复制的类病毒混合物。

　　分裂和聚合

　　下一阶段可能发生的一种情景是，像LUCA病毒样的元素子集开始分道扬镳奔向两个不同的方向，获得细胞膜，并成为简单细胞。这将可以解释为什么会有两种简单细胞——细菌和古生菌，各自带有完全不同的细胞膜。专家认为，这是一个非常有吸引力的假说。但可以肯定的是，生命很早就分裂成了两个主要分支。

　　细菌和古生菌进化出一些惊人的分子机制，并改变了这个星球，但它们仅保留极微量的化学物质。直到生命的两大分支再聚首，复杂细胞或真核生物应运而生，才算是生命进化进程中一个非同寻常的大事件，这个事件改变了基因组，为首个动物的进化铺平了道路。

　　大约10亿年前，一种细菌终结在古核生物中。这可不是一个灭了另一个，而是两者建立了一种共生关系，随之细菌的后代们逐渐进化，并开始发挥至关重要的作用：他们成为了线粒体，这个细胞内的发电厂可为我们提供能量。

　　没有这种结合，复杂的生命可能永远也不会出现。我们倾向于认为，简单生物进化成更复杂生命是自然而然的事，但单个细菌或古生菌却从未进化出具有一定复杂性的生命。这是为什么呢？

　　专家认为，这是因为他们遭遇了能障。简单生物利用其细胞膜产生能量。当它们变得更大时，表面积与体积之比下降，此时要产生足够的能量就变得举步维艰。其结果是，简单细胞不得不保留小的形体，小细胞没有足够的空间容纳较大的基因组。线粒体则通过提供模块化的自备能源消除了这一障碍。通过简单地制造更多的线粒体，并允许其扩展基因组及信息存储容量，细胞就能变得更大。

　　除了从这种能量约束中解放细胞，线粒体的祖先也是我们基因的3/4来源。原始细菌大概有3000个基因，随着时间的推移，大部分丢失了，或转移到主基因组中，现代线粒体留存的只是极少数的基因。

　　尽管有明显的优势，但是建立这样的联盟同时也充满了危险。特别是，原始线粒体的基因组受到寄生DNA（或转座子）的侵扰，这些转座子只会不停地克隆自己。它们有时会降落在基因中间，将自己寄存在大块不相关DNA（内含子）中。这就等同于把做汤的食材放进了烘蛋糕的菜谱中。

　　但后果并不总是灾难性的，因为这些内含子能“自我剪接”：蛋白质制造过程的第一步，也就是一个基因的RNA副本建立后，他们会把自己剪断。虽然这种情况并不总是发生，但他们的存在总归是一个缺陷。大多数细菌在其基因中没有内含子，因为在一个大群体中总会有很多个体之间的竞争，自然选择的强大力量会将他们清除出去。但原始真核细胞的数量非常小，所以选择性也弱。随着始祖线粒体的疯狂复制，主基因组被数以百计的内含子弄得一团糟，寄生生物出现了。

　　今天，每一个我们的基因通常都包含8个内含子，其中有许多可追溯到首个真核生物，我们的祖先从未设法摆脱他们中的大多数。相反，他们进化出了改变基因结构这样的对付方式以及细胞繁殖的方式。其中之一便是性。

　　性的好处

　　关于性，至关重要的东西不只是不同个体的基因的融合，而是将不同谱系的进化优势聚集在一起。简单细胞老早就已交换基因，而不必为性困扰。

　　这一过程也被称为重组，其中数对染色体在被分裂成精子或卵子前交换相应的部分。重组有助于解决一个根本性的问题，就是让一个基因组包含有许多互相关联的基因，就好像串在一条项链上的珠子。

　　想象一下，一条拥有真正华丽珍珠的项链旁边，必定有一条是不完美的。如果你不能和另一条互换珍珠，你要么放弃整条项链，要么就把它当成是完美的。同样，如果一个有益的突变最终紧挨着一个有害的突变，无论是有益突变被丢失还是有害突变通过种群传播，邻居的拖累是肯定的。

　　重组让你有机会交换珍珠。正如你可以制作一条完美的项链和一条有瑕疵的项链，所以某些后代会得到不成比例数量的优良基因，而另外一些后代也可能会得到很多不好的基因，也许还带有破坏性的内含子。不幸的个体很可能会消亡，而那些拥有良好基因的个体则茁壮成长。

　　在大群体中，这么多突变的兴起，其中一些将抵消有害基因的影响，所以也没有必要诉诸重组。但在小群体中，性就会胜出。这就是为什么性会成为第一个真核生物，乃至其后代的常态。因此，下一次你在享受性的愉悦时，记得感谢你的古细菌祖先所庇护的原始寄生生物吧。

　　等到性进化的时候，会有太多内含子摆脱它们。因此，早期真核生物很快就面临另一个严重的问题：由于内含子获得越来越多的突变，自我剪接机制开始失效。作为反应，这些早期真核生物进化出特殊机制，这就是可从基因的RNA副本剪去内含子的剪接体。

　　剪接体是进化的一种盲目解决方案典型：从基因RNA副本而不是从原始DNA剪去废物，是非常低效的。更何况，剪接速度很慢。许多RNA在其内含子被剪掉前就已到达蛋白质制造工厂，从而导致了有缺陷的蛋白质。

　　这就是细胞核进化的原因。一个细胞的DNA一旦被封闭在将蛋白质制造机构分隔开的区间内，只有剪切过的RNA被允许带出，就可防止细胞制造无用蛋白质而浪费能量。

　　但即使这样，也并没有解决所有的问题。剪接体经常会错误地剪掉基因的编码部分，即外显子，从而导致突变的蛋白质。选择性剪接不是一种适应，这是生物体不得不处理好的事情。

　　因此，我们的远古祖先进化出层叠叠的复杂机制，以应对内含子的扩散，但仍然没有解决内含子造成的所有问题。但与简单细胞不同的是，他们能承受得起这种浪费，因为他们与能源齐平。从长远来看，所有这些额外的复杂性也导致了新的机遇。

　　本篇文章来源于 科技网