跳躍的基因 （下）

費(fèi)里斯·賈布爾

這種特殊的基因似乎游刃有余地在微生物世界中游走多時(shí)，然后一縱身，橫向跳進(jìn)那些和不同種細(xì)菌生存關(guān)系密切的病毒、植物、真菌和昆蟲當(dāng)中。

最近，在研究一種捕食沃爾巴克氏體的病毒時(shí)，來自田納西州范德比特大學(xué)的詹森·梅特卡夫和塞斯·波登斯坦發(fā)現(xiàn)了橫向基因轉(zhuǎn)移界的拿破侖：一個(gè)征服了所有生命王國的小基因。通過一種叫作GH25-胞壁酸酶的基因，病毒攻擊并殺死沃爾巴克氏體，這種基因編碼可以攻破細(xì)胞壁防線的溶菌酶。當(dāng)詹森·梅特卡夫和塞斯·波登斯坦追蹤GH25的進(jìn)化譜系時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了一種完全不典型的模式。GH25基因散布于整個(gè)生命之樹中，在細(xì)菌、植物、真菌和昆蟲中均存在。這種特殊的基因似乎游刃有余地在微生物世界中游走多時(shí)，然后一縱身，橫向跳進(jìn)那些和不同種細(xì)菌生存關(guān)系密切的病毒、植物、真菌和昆蟲當(dāng)中?！懊恳环N生物都需要和細(xì)菌抗?fàn)?，”詹森·梅特卡夫說，“如果它們能夠獲得一種新的抗菌防御，那將是一個(gè)巨大的進(jìn)化優(yōu)勢?！?/p>

有關(guān)橫向基因轉(zhuǎn)移，輪廓最鮮明的故事要屬真菌和豌豆蚜。一些真菌、植物和細(xì)菌具有編碼類胡蘿卜素的基因，而類胡蘿卜素是一種非常多樣化而且具有顏色的分子，它們參與的生物過程從光合作用和細(xì)胞分裂， 到生物偽態(tài)和性吸引， 幾乎無所不包。但之前人們在動(dòng)物當(dāng)中還從來沒有發(fā)現(xiàn)過這樣的基因。在所有已知的例子當(dāng)中，動(dòng)物需要從它們的飲食當(dāng)中獲取類胡蘿卜素，比如火烈鳥的粉色和紅色，就是通過攝取浮游生物獲得的。2009年，當(dāng)時(shí)還在亞利桑那州立大學(xué)工作的進(jìn)化生物學(xué)家南?！つm，意外地發(fā)現(xiàn)了豌豆蚜具有類胡蘿卜素基因。

紅色豌豆蚜與綠色豌豆蚜

科學(xué)家已經(jīng)知道，豌豆蚜的身體根據(jù)體內(nèi)所含類胡蘿卜素的類別不同而呈現(xiàn)出不同的顏色，并且能夠通過響應(yīng)某種威脅而將整個(gè)群體的顏色進(jìn)行轉(zhuǎn)換：綠色的豌豆蚜對寄生性黃蜂更敏感，紅色的豌豆蚜對瓢蟲更敏感。但是這些色素的起源一直是個(gè)謎。蚜蟲主要靠吸取樹汁生活，其中并不含多少類胡蘿卜素，并且豌豆蚜體內(nèi)所含的類胡蘿卜素種類繁多，與它們食用的植物中所含的類胡蘿卜素非常不同。當(dāng)莫蘭把蚜蟲體內(nèi)的色素基因與很多其他物種進(jìn)行比較時(shí)，最相近的基因來自真菌。在2.7億年前，一只蚜蟲可能從真菌中獲得了類胡蘿卜素基因：或許是它正在侵染的真菌，或許是它正在咀嚼的那個(gè)。此后，又有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蜘蛛螨和癭蚊同樣從真菌和細(xì)菌那里獲得了類胡蘿卜素基因。

如果將生物界比作一棵樹，那么無論你搖哪一根樹枝，都會(huì)有令人驚嘆的跨物種基因轉(zhuǎn)移的例子像樹葉一樣落在你腳下。蛭形輪蟲——一種長得像海蛞蝓的微小半透明動(dòng)物——用來自細(xì)菌、真菌和植物的基因構(gòu)建了自身基因組的8%;生活在冰冷海水中的魚類換來編碼抗凍蛋白的基因;花型碩大的大王花跟它所寄生的植物交換基因;在日本，有些人的腸道細(xì)菌從存留在海草沙拉里的海洋細(xì)菌中竊取了海草消化基因。

發(fā)現(xiàn)真核生物中的橫向基因轉(zhuǎn)移，并不需要我們對標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)化理論進(jìn)行大修，但我們確實(shí)需要做一些重要調(diào)整。

到目前為止，這種基因跳躍現(xiàn)象已經(jīng)多得無法忽略了?？茖W(xué)家無法再將真核生物之間、原核生物與真核生物之間的基因交換說成是不重要的了。很顯然，基因在生物界的不同門類中各種穿越：有時(shí)是大規(guī)模突然一躍，有時(shí)則是千年尺度上的緩步前行。誠然，很多這種旅程都是無果的：一個(gè)轉(zhuǎn)位的基因會(huì)發(fā)現(xiàn)自己在新的宿主中完全派不上用場，或者成為與它相鄰的基因元件的掃把星而遭到驅(qū)逐。旁系轉(zhuǎn)移的基因可以是混亂的惡魔，把基因組打亂或者重組并導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。然而，徒步前行的基因卻可以讓自己開始新生活，獲得足夠的成功，并能進(jìn)一步影響生物體的存活方式，引導(dǎo)其進(jìn)化。

發(fā)現(xiàn)真核生物中的橫向基因轉(zhuǎn)移，并不需要我們對標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)化理論進(jìn)行大修，但我們確實(shí)需要做一些重要調(diào)整。根據(jù)教科書上的進(jìn)化理論，生物體之間轉(zhuǎn)移基因的主要方式是親本傳遞，無論是無性克隆還是有性繁殖，都不是這種在無關(guān)聯(lián)的生物體之間配送基因的鬼祟行為?，F(xiàn)在我們必須承認(rèn)，即使是在最復(fù)雜的生物體中，垂直基因轉(zhuǎn)移也不是唯一的基因轉(zhuǎn)移方式。

與此相似，標(biāo)準(zhǔn)理論認(rèn)為突變只能在一個(gè)物種自身的基因組中發(fā)生，而不能完全源于另一個(gè)地方。我們現(xiàn)在知道， 新基因的產(chǎn)生并不一定源于自身原始DNA的調(diào)整，也可能是因?yàn)檫h(yuǎn)客的到訪?！拔覀冃枰_始把基因組看成生態(tài)單位而不是孤立單位，”紐約羅徹斯特大學(xué)的杰克·沃倫說，“我們正在面對的是一個(gè)全新的范疇，其中有獨(dú)特的基因進(jìn)化。”

在某些案例中，這種遺傳上的跳房子游戲“可以產(chǎn)生一股非常強(qiáng)大的進(jìn)化力量，”李說，“它可以引入由逐漸積累的基因突變無法獲得的全新遺傳特征?！毕胂肟?，一種植物從細(xì)菌那里，或者一只蚜蟲從真菌那里獲取基因，不是接收了開發(fā)進(jìn)程當(dāng)中的基因原型，而是獲得了自然選擇在其他生命體中孕育打磨了億萬年的強(qiáng)大基因。新轉(zhuǎn)移的基因想跟自己的新鄰居完全同步，可能還需要一些調(diào)整，但是這比從頭開始由細(xì)胞分裂或者因紫外線輻射導(dǎo)致的突變產(chǎn)生一個(gè)新基因要快得多。橫向基因轉(zhuǎn)移開啟了生物體快速獲得自身無法制造的基因性狀組合的可能性。

旁系基因轉(zhuǎn)移也可以通過更加細(xì)微的方式影響進(jìn)化。某些種類的轉(zhuǎn)移基因可以自身復(fù)制很多次，留下很多大小不一的片段或者完整的復(fù)制子。在這一過程中，它們可以對原本的DNA進(jìn)行大片段重組，改變某些基因的表達(dá)方式，或者在這種重排中創(chuàng)造全新的基因。通過將宿主基因組擴(kuò)大和多樣化，這些基因移民增加了復(fù)制和編輯錯(cuò)誤的概率，其中一些可以引發(fā)偶然現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)化加速，就像在棕蝙蝠身上發(fā)生的那樣。

一股頑皮的風(fēng)仍舊把DNA吹得遍地都是，在生命之樹的各個(gè)樹枝之間游歷。

我們可以通過重新構(gòu)想生命之樹來將傳統(tǒng)進(jìn)化法則和這些多種多樣的研究推論結(jié)合起來。在經(jīng)典的教科書中，生命之樹由一個(gè)樹干發(fā)出三大界——細(xì)菌、古菌（類似細(xì)菌但是其遺傳學(xué)和分子生物學(xué)特性不同）以及真核生物。這三大界再分支形成所有已知的物種。每一種曾經(jīng)存活過的生物都可能“起源于某種原始形態(tài)”，這是達(dá)爾文在1859年對它的描述。從表面來看，基因應(yīng)該通過樹干向上流動(dòng)。

伊利諾伊大學(xué)的福特·杜利特爾和卡爾·沃斯認(rèn)為，這種對生物界的劃分過于簡單。他們認(rèn)為，與其說生命起源于某個(gè)單一的樹干，不如說建立在一個(gè)互相交錯(cuò)的根系之上。他們認(rèn)為，所有的生命都起源于一個(gè)原始細(xì)胞組成的幾何體中激烈的DNA交換。對只具有少量基因的簡單原始細(xì)胞來說，交換DNA 是獲取和保存最佳環(huán)境適應(yīng)性的絕好策略。

沃斯指出， 在某個(gè)節(jié)點(diǎn)處，細(xì)胞達(dá)到了復(fù)雜度閾值，再接受外源基因的頻繁轟擊就具有毀滅性危險(xiǎn)。一個(gè)只具有小組基因的原始細(xì)胞可以通過向自身的遺傳系統(tǒng)中增添新基因獲得很多好處，但是具有成千上萬基因的更加復(fù)雜的細(xì)胞，這樣做就可能會(huì)使自己通過長期自然選擇協(xié)調(diào)好的精密基因組平衡被打破。所以，復(fù)雜真核細(xì)胞進(jìn)化出了保護(hù)DNA 和去除外源遺傳物質(zhì)的機(jī)制。

然而，在過去10年的研究中，橫向基因轉(zhuǎn)移并沒有在真核生物和微生物之間停止。一股頑皮的風(fēng)仍舊把DNA吹得遍地都是，在生命之樹的各個(gè)樹枝之間游歷。沃爾巴克氏體、豌豆蚜和角苔都鼓勵(lì)我們接受這樣一個(gè)事實(shí)，它一開始讓人心緒不寧，但最終會(huì)將我們引入地球上所有生命的共同體。

面對這個(gè)事實(shí)，我們不能再佯裝不同物種間的基因混合是一種非自然現(xiàn)象，是由我們帶著乳膠手套的手操作不當(dāng)而產(chǎn)生的某種存在。

人們普遍認(rèn)為，一個(gè)物種的DNA不應(yīng)該與另一個(gè)物種的相混合。這種信念在關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物的辯論中顯得格外清晰。 對立方頻繁提出，科學(xué)家在不同物種間制造出的這種基因轉(zhuǎn)移，不應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室之外存在。把一個(gè)小麥基因?qū)胍活w栗子樹，把一個(gè)細(xì)菌基因?qū)胗衩?，或者把魚的基因?qū)胪炼?，這些都是非自然的。這些對基因混合的粗淺誤解就像喪鐘一樣不斷長鳴。

但遺傳組成的這種改變在自然界中確實(shí)是存在的。遺傳物質(zhì)的跨物種重組在自然界中發(fā)生的概率遠(yuǎn)比我們意識(shí)到的要高。單憑這一點(diǎn)并不能讓轉(zhuǎn)基因食品更讓人青睞，僅僅因?yàn)槟承〇|西在自然中可以不借助人力而存在并不意味著它的本質(zhì)是好或是壞。然而，面對這個(gè)事實(shí)，我們不能再佯裝不同物種間的基因混合是一種非自然現(xiàn)象，是由我們帶著乳膠手套的手操作不當(dāng)而產(chǎn)生的某種存在。我們沒有發(fā)明基因轉(zhuǎn)移，是DNA自己發(fā)明的?；蚩紤]的事情只有一件：自我永續(xù)。如果這種保存需要某個(gè)特定基因適應(yīng)一個(gè)它從來沒有遇見過的基因組，如果通過寄生蟲從一個(gè)物種傳遞到另一個(gè)被證明是極其成功的保證延續(xù)的方式，那就這么定了吧。物種之間的屏障或許可以保證基因組的完整性，但當(dāng)一個(gè)單獨(dú)的基因擁有通過突破這些屏障發(fā)展自己的機(jī)會(huì)時(shí)，它是不會(huì)猶豫的。

這就是DNA 的特點(diǎn)：它只忠于它自己。我們傾向認(rèn)為，一個(gè)物種的基因組就屬于這個(gè)物種。我們對自己的基因具有強(qiáng)烈的所有權(quán)意識(shí)，就算我們的基因組與其他生物相重疊，也仍舊是獨(dú)特的，是“人類基因組”。我們的占有欲是如此之強(qiáng)，以至于“將我們的DNA與其他生物的相混合”這種想法會(huì)立刻引起我們的反感。然而，對DNA而言，物種之間的這堵墻并沒有那么不可逾越。在生命之樹的樹枝上，我們不再像原始細(xì)胞那樣浸在相互交纏的樹根之間古老的公用水體里，但是我們無法逃避吹來的會(huì)合之風(fēng)。即使在今天，就像最開始那樣，我們的基因并不完全只屬于我們自己。