自然界的“基因大盜”

李忠東

你的遺傳基因從哪兒來(lái)？一般人都會(huì)回答：來(lái)自父母?？墒鞘澜缟蠀s有一些生物，它們?yōu)榱四茉跇O端環(huán)境中存活，或者為了獲得更強(qiáng)的技能，可以從其他生物體那里“偷”來(lái)生存的必要基因。

這種“偷基因”的生存策略就是所謂的“水平基因轉(zhuǎn)移”?？茖W(xué)家在尋找世界上最頑強(qiáng)的生命形式的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了自然界這種獨(dú)特的生存策略。

為適應(yīng)極端條件才去“偷”

在意大利、俄羅斯、冰島以及美國(guó)黃石國(guó)家公園沸騰翻滾的硫磺溫泉中，生活著一種溫泉紅藻。這些來(lái)自地底的溫泉，有的水溫高達(dá)56℃，而且含有大量的砷和重金屬，腐蝕性極強(qiáng)。大多數(shù)植物和動(dòng)物都無(wú)法忍耐如此高溫，因?yàn)闊崃繒?huì)分解蛋白質(zhì)中的化學(xué)鍵，對(duì)酶產(chǎn)生破壞性效果，細(xì)胞膜也會(huì)變薄破損，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞破裂。但是溫泉紅藻卻能夠忍耐如此的高溫，實(shí)屬難能可貴。

這種紅藻生命力強(qiáng)大不僅體現(xiàn)在不懼怕高溫，還表現(xiàn)出超強(qiáng)的耐酸性，它甚至能在pH值為0的強(qiáng)酸環(huán)境中存活。生物體細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)和酶會(huì)因酸性物質(zhì)的干擾，使一些生命必需的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生混亂，而溫泉紅藻卻毫發(fā)無(wú)損。

溫泉紅藻耐鹽性和抗毒性也極高，令人驚訝。在鹽度極高的環(huán)境中，植物細(xì)胞會(huì)因太多的鹽而汲取水分困難，造成脫水枯萎，可它卻安然無(wú)恙。對(duì)于大多數(shù)生命形式來(lái)說(shuō)，砷和汞等毒性物質(zhì)往往是致命“殺手”，但它對(duì)這些有毒元素很不以為然。

為了揭開(kāi)溫泉紅藻頑強(qiáng)生命力之謎，美國(guó)俄克拉荷馬州立大學(xué)和德國(guó)海因里希-海涅大學(xué)的科學(xué)家對(duì)它的基因進(jìn)行了解碼分析。讓研究人員深感震驚的是，這種紅藻的生命秘密可歸納成一個(gè)字——“偷”，從其他生命形式那里“偷”來(lái)生存的必要基因，而不是從父輩那里遺傳。

在溫泉紅藻身上，研究人員一共發(fā)現(xiàn)了75種來(lái)自其他細(xì)菌和古生菌的基因。雖然并非所有的基因都能給它帶來(lái)明顯的進(jìn)化優(yōu)勢(shì)，但確實(shí)有許多可以幫助它在極端環(huán)境中生存。一種“偷”自細(xì)菌的基因能起到類似“泵”的作用，幫助溫泉紅藻有效地將砷等有毒物質(zhì)從其細(xì)胞中抽走，使其擁有與汞和砷等有毒化學(xué)物質(zhì)共存的能力。還有一種“偷”來(lái)的基因功能相當(dāng)于“金屬運(yùn)輸機(jī)”，有助于溫泉紅藻快速排出有毒金屬，同時(shí)從周圍環(huán)境中汲取有用的金屬元素。還有的基因可以確保它能忍耐高鹽度環(huán)境，逃脫因細(xì)胞內(nèi)所有水分被吸光而死亡的厄運(yùn)。

在極端環(huán)境中生存的絕大多數(shù)生物都是單細(xì)胞微生物、細(xì)菌或者古生菌，它們的生命形式簡(jiǎn)單，不像其他動(dòng)物具有那么復(fù)雜的生物學(xué)特征。正是得益于這種簡(jiǎn)單性，它們能夠更好地適應(yīng)極端條件，藏身于地層深處、海洋底部、永凍土中或沸騰的溫泉等最不適宜生命存在的環(huán)境中。

數(shù)十億年的進(jìn)化使它們的基因已經(jīng)發(fā)展到可以對(duì)付幾乎任何事物，如果有其他更為復(fù)雜的生物經(jīng)過(guò)，它們有可能找到一種更為有效的進(jìn)化捷徑，比如，去“偷”那些能夠幫助它們?cè)跇O端環(huán)境中生存的基因。當(dāng)外來(lái)的DNA融入新的主體（生物體）時(shí)，會(huì)“劫持”它的生物學(xué)系統(tǒng)，促進(jìn)其產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)，從而幫助新的主體擁有新的技能。如果這種基因轉(zhuǎn)移發(fā)生足夠頻繁，就有可能將新的主體帶到全新的進(jìn)化路線上。它們不用經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的艱苦進(jìn)化，能輕而易舉擁有這些生存能力。但遺憾的是，科學(xué)家還沒(méi)搞清楚它們是通過(guò)什么方式“偷取”基因的。

“偷基因”的例子可能非常普遍

這種“偷基因”的生存策略被稱之為“水平基因轉(zhuǎn)移”，這一概念是相對(duì)于“垂直基因轉(zhuǎn)移”提出的。在自然界中，“偷基因”的例子可能比人類想象中的要普遍得多。遺傳學(xué)一般關(guān)心更為普遍的垂直基因轉(zhuǎn)移，但目前的研究表明，水平基因轉(zhuǎn)移是一個(gè)重要的現(xiàn)象，它使生物早期的演化關(guān)系更為復(fù)雜。

雪藻是另一種會(huì)“偷基因”的生物。在極端寒冷氣候中，參差不齊的冰晶會(huì)刺穿生物的細(xì)胞膜，因此必須生成一種可以防止細(xì)胞被刺穿的冰結(jié)合蛋白。美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)科學(xué)家詹姆斯·雷蒙德繪制了這種雪藻的基因組，發(fā)現(xiàn)它的冰結(jié)合蛋白的基因與細(xì)菌、古生菌、真菌的某些基因極為相似。這些基因很明顯是極端寒冷環(huán)境中生存的必要基因，因?yàn)榈侥壳盀橹?，在所有與冰相關(guān)的藻類身上都發(fā)現(xiàn)有這種基因，而在較溫暖地帶任何一種藻類都沒(méi)有攜帶這種基因。這表明，雪藻就是通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移的方式獲取了在極端寒冷環(huán)境中生存的能力。

真核生物也不例外，在南極海冰中生存的微型甲殼類動(dòng)物就是其中的例子。德國(guó)基爾大學(xué)極地生態(tài)研究所科學(xué)家雷納爾·基科發(fā)現(xiàn)，南極一些微型甲殼類動(dòng)物可以在海冰表層的極寒鹽水中生存，為了保證自己不被凍僵，它們會(huì)生成一種防凍蛋白，以防止血液凝固。這種蛋白在其他的甲殼類動(dòng)物身上從未發(fā)現(xiàn)過(guò)，卻與海冰藻的蛋白很相似，由此可見(jiàn)是通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移的方式獲得的。

在人們通常的概念中，光合作用只是植物的“專利”，而動(dòng)物們只能靠吃掉植物來(lái)獲取光合作用所生成的物質(zhì)和儲(chǔ)存的能量。然而一種被稱為“綠葉海天牛”的海蛞蝓體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“光合作用”。它依靠攝食獲取了本屬于藻類的葉綠體，將其置于自己的細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行光合作用。為了讓這些葉綠體更好地工作，它甚至還“奪取”了原屬于藻類細(xì)胞核中的基因。原來(lái)綠葉海天牛的幼蟲(chóng)從卯中孵化之后，會(huì)游動(dòng)著尋找濱海無(wú)隔藻。一旦找到并開(kāi)始啃食，它原來(lái)無(wú)色的身體在24小時(shí)內(nèi)便逐漸變綠，并最終穩(wěn)定下來(lái)。由此可見(jiàn)，這些葉綠體都是它在取食的過(guò)程中，從破碎的濱海無(wú)隔藻細(xì)胞中“提取”出來(lái)的，并放置于消化道細(xì)胞之中。

綠色的綠葉海天牛只要在有光的條件下，就能“忍饑挨餓”長(zhǎng)達(dá)10個(gè)月?？茖W(xué)家通過(guò)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)它和植物一樣能夠進(jìn)行二氧化碳的固定和氧氣的釋放。綠葉海天牛獲取這些葉綠體的真正目的，就是依靠它們來(lái)進(jìn)行光合作用，并讓自己能夠利用光合作用的產(chǎn)物，成為動(dòng)物界中獨(dú)樹(shù)一幟的“真·光合作用動(dòng)物”。

因此科學(xué)家認(rèn)為，“偷基因”可能是自然界一種非常普遍的進(jìn)化策略。雖然物種進(jìn)化一直在進(jìn)行，但“水平基因轉(zhuǎn)移”或?qū)⒆屵M(jìn)化的步伐邁得更大一些。

鏈接：

垂直基因轉(zhuǎn)移指生物從其祖先處繼承遺傳物質(zhì)，即親代傳遞給子代。

水平基因轉(zhuǎn)移指生物將遺傳物質(zhì)傳遞給其他差異生物或單個(gè)細(xì)胞而非其子代的過(guò)程。這里的差異生物個(gè)體可以是同種但含不同的遺傳信息的生物個(gè)體，也可以是遠(yuǎn)緣的，甚至沒(méi)有親緣關(guān)系的生物個(gè)體。