多樣性的生物從何進化而來

卡爾·齊默

數(shù)以百萬計的動物在這個星球上游泳、掘洞、奔跑和飛翔，動物王國簡直是生物界最令人驚奇的“一筆”。然而，你可知道：從瓢蟲到虎鯨，所有這些外形多樣的生物體可能是由生活在6.5億年前的共同祖先進化而來的。

目前，還沒有人找到這種動物的化石，所以人類無法確定它的樣子。但最近，英國兩位科學(xué)家重建了動物王國多細胞鼻祖的基因組，該研究發(fā)表在《自然·通信》上。這一研究為動物王國的鼻祖如何“開枝散葉”提供了一條重要線索：隨著進化，新基因不斷產(chǎn)生而涌現(xiàn)出新物種。在人類基因組中，55%的基因已經(jīng)存在于單細胞動物祖先的體內(nèi)，而在我們的單細胞祖先轉(zhuǎn)變成多細胞復(fù)雜有機體的過程中，那些新基因可能發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

埃塞克斯大學(xué)進化生物學(xué)家、文章共同作者喬迪·帕普斯（Jordi Paps）和牛津大學(xué)動物學(xué)家彼得·霍蘭（Peter W.H.Holland）通過研究動物家族樹相識。動物家族樹研究表明，脊椎動物、鳥類、爬行動物和魚類等物種都屬于一個分支。與人類親緣關(guān)系最近的無脊椎動物包括海星等，水母和海綿則是與人類親緣關(guān)系最遠的表親之一。研究人員還確定了與動物王國鼻祖親緣關(guān)系最近的單細胞物種——那些微小的吞食細菌的水生原生動物。

在以上分支范圍內(nèi)，研究人員挑選了包括人類在內(nèi)的62個物種、近150萬個基因進行了仔細研究。他們搜尋所有這些有機體的DNA，對所有編碼蛋白質(zhì)的基因進行分類，進而推測那些共同的基因何時發(fā)生了進化，從而大大豐富了整個動物基因庫。例如，人類和鯊魚使用幾乎相同的基因編碼制造血紅蛋白，這意味著血紅蛋白基因已經(jīng)存在于他們共同祖先的體內(nèi)，但血紅蛋白基因在動物物種的遠親體內(nèi)無法找到，所以這個基因有可能是在早期脊椎動物體內(nèi)進化出現(xiàn)的，但是遠遠晚于動物涌現(xiàn)早期的動物出現(xiàn)時間。有些基因在動物還沒涌現(xiàn)之前就已經(jīng)形成，有些對所有物種的基本生存至關(guān)重要——比如復(fù)制DNA的相關(guān)基因——這些基因在數(shù)十億年前就開始出現(xiàn)，其他基因后來陸續(xù)出現(xiàn)。時至今日，我們?nèi)匀荒茉谂c人類親緣關(guān)系較近的單細胞物種中找到這些基因。這一研究證實，正是進化賦予了基因新的作用。

研究人員發(fā)現(xiàn)了存在于當前所有動物體內(nèi)的6331個基因，這些基因應(yīng)該來自共同祖先，但動物涌現(xiàn)的鼻祖體內(nèi)1189個基因目前已經(jīng)無法在與人類親緣關(guān)系最近的單細胞動物體內(nèi)找到，那這1189個基因一定是在單細胞原生動物體內(nèi)進化而成。帕普斯博士表示，這些進化至少通過兩種方式發(fā)生：有時隨機的一串沒有功能的DNA發(fā)生突變后開始產(chǎn)生一種新蛋白質(zhì)；或者現(xiàn)有的功能基因可能會被意外復(fù)制，其中一個拷貝發(fā)生累積突變，最終產(chǎn)生了一種新的蛋白質(zhì)，另外一個單拷貝并未發(fā)生突變而繼續(xù)發(fā)揮原來的作用。

通過進化獲得的新DNA并不會被隨機分配新的角色。相反，許多新基因在構(gòu)建和運行生物體中扮演著至關(guān)重要的角色，例如制造用于向其他細胞發(fā)送信號的蛋白質(zhì)。帕普斯博士和霍蘭博士還發(fā)現(xiàn)：原生動物體內(nèi)進化的許多基因都與癌癥密切相關(guān)。這些基因發(fā)揮著使細胞高度協(xié)調(diào)、一起工作的作用，如果它們發(fā)生變異，細胞可能會失控。