獲得性遺傳－生物進化的真正法則

上一篇 / 下一篇 2009-07-22 16:53:15 / 個人分類：遺傳學

獲得性遺傳－生物進化的真正法則

2009年6月15日 9:57:10

chuyonghu<chuyonghu@126.com>

楊老師：您好。在網上看到您的系列文章，很受啟發，相見恨晚。我最近也寫了一篇有關文章，也是多年的思考。奉上，望批評指正，不吝賜教。希望以後能多聯繫。

6月15

《獲得性遺傳－生物進化的真正法則》

前言

先天突變還是後天獲得

自然選擇還是用進廢退

生物進化的內在動力

生物體機能大分子的進化，支持獲得性遺傳進化路線

一、基因(DNA)進化

二、蛋白質進化

三、基因調控的進化

獲得性遺傳形成的分子機制

一、中心法則逆向途徑存在與否是問題的關鍵

二、逆向中心法則可能存在嗎

三、生物信息的真正發生處在哪，DNA還是蛋白質

四、生物進化史揭示DNA是進化的產物,DNA突變不是進化之源

五、信息從RNA流向DNA的證據

六、尚不清楚的過程

突變和選擇在進化中的地位

突變是無序過程,生物進化是一個自組織系統的有序過程

選擇的作用有限,選擇的主要作用不是決定了進化方向而是排除了無序

前言

大千世界,芸芸眾生,今天顯現在我們面前豐富多彩的生物世界是怎麼發展而來的,進化的原動力是什麼?這是個爭論已有兩百年的老話題。

1809年拉馬克提出了獲得性遺傳的論點，即生物體為適應變化的自然環境而後天獲得的性狀變異是可以遺傳的。這種性狀變異不是先天的而是後天發生的，是環境引起的，是方向一定的，機理是用進廢退；

另一觀點是由達爾文、孟德爾發起（1809年又恰是偉大達爾文的誕辰年），由新達爾主義完善，認為進化的本源是基因突變加自然選擇。他們認為變異分兩種，受環境影響的變異有一定方向，稱為一定變異，相當於拉馬克的獲得性性狀，是不可遺傳的。另一種變異是在一個群體中個體可能都不一樣，這是由基因突變引起的，這種突變是先天的、隨機的，與環境的影響無關，所以叫不定變異。不定變異是可遺傳的，進化的方向由選擇決定（自然的和人為的），主要機理是適者生存。

隨著時間的推移，拉馬克的觀點被認為缺乏實驗依據，漸漸退出學術界之流，後一種理論逐漸成為主導，特別是分子中心法則的確立，即信息流向是從DNA到RNA，再到蛋白質，而基本沒有發現逆向流向，更確定了其不可動搖的地位。

近代，隨著統計學、分子生物學介入遺傳學的研究，又提出一些新的學說，但只是對突變加選擇學說的補充和進一步發展，並沒有改變上述爭論的格局。為簡化起見，就不贅述了。

可是事情並沒有那麼簡單，主流觀點從一開始就留下了種種疑點，隨著近幾十年來分子生物學的發展，蛋白質組學，基因測序的展開，揭示了許多DNA、蛋白質的秘密，許多跡象都顯示了生物進化和突變選擇理論是相悖的，這個相悖並不是局部上的一些不足，也許這個理論根本就沒有從總體上、本質上握住生物進化的深層法則。相反對立的理論卻很有可取之處，現在需要用新的科學進展重新檢討一下這兩個老的理論，或許可以得出全新的結論，本文寫下了我自己的一些思考，在這方面做了一些初步嘗試，以期和同仁們進一步探討。

第一節 先天突變還是後天獲得

上中學，生物課老師講進化論時，舉了突變加選擇的例子，比如多風的小島上蒼蠅為什麼都是短翅的，因為決定蒼蠅翅的基因可以向兩個方向突變，更長和更短，大風把具有長翅基因的突變型都吹到海里去了，一代代下來，蒼蠅的基因型發生了變化，只剩下短翅基因的了。

人的進化也遵循這個規律，人在從其遠祖魚類，經兩棲類，爬行類，哺乳類，猿到人的進化過程中，也是基因發生了變化。摒棄的無用器官和體征隨著決定其發生的基因的退化和改變而消失，新的器官和體征隨著新基因的進化出來而出現。

粗看之下，沒什麼問題，可只要稍稍的了解一下人的胚胎髮育過程，問題就來了。人在胎兒的發育過程中把在進化中摒棄的器官和體征又重新出現了一遍，然後再丟掉。早期胚胎像魚一樣有長長的魚尾，出現腮裂，隨著發育，出現四肢後還出現濃密的體毛，像人的近親猿一樣，只是在出生前不久，尾巴才消失，體毛才褪掉，成了人形，這就是有名的重演律——是貝爾和海克爾在比較了脊椎動物胚胎髮育後發現的現象。即個體在發育過程中重現了物種系統進化的歷史。

青蛙的發育使我們可以直觀的看到這一現象，它的幼體蝌蚪有魚一樣的體型，用腮呼吸，完全生活在水中，隨著長大，生出了四肢，肺逐漸代替了腮，最後爬到岸上，脫掉長長的尾巴，發育成熟了。

問題在於，用突變說解釋，我們認為退化和丟掉的基因其實還在，如果真有什麼變化，似乎只是這些基因的調控發生了變化。按現在的知識，我們知道基因一般指結構基因，就是可以編碼蛋白質，獲得表達的基因，也確實有控制結構基因表達的調控部分，也就是說結構基因並沒有多大的變化。

問題又來了，既然是突變，發生的位點應該是隨機的，為什麼只發生在調控部分，而不發生在結構基因上。發生在調控部位的突變又怎能做到循續有序的調控結構基因的表達和關閉，使個體發育能呈現出系統進化的表達，顯然以前學的知識是很難回答這些問題的。

生物個體發育是其基因的全面表達過程，這個過程揭示了基因許多不為人知的秘密，包括基因進化可能的演化方式。重演率揭示出生物進化似乎不是我們傳統理解的是遺傳基因的改變式進化，更像是遺傳基礎的添加式進化。那麼哪一種進化方式更可能帶來這樣的後果呢？我們先分別假定兩種進化方式都成立，具體演示一下進化過程，看兩種進化方式分別會給基因進化帶來什麼樣的可能變化，簡單從字面理解，突變就是改變，獲得似乎和增加新內容有關。

突變加選擇的進化模式如果存在，那麼基因在個體發育前已經發生了突變，適應和不適應新的環境的基因型已經存在，只要通過選擇確定其存留就行了。新基因的產生是從老基因的變化而來，新的進化是通過對舊的遺傳基礎的否定而來。新的基因出現與後天環境變化影響發生的一定變異無直接關係，新老基因之間無直接繼承關係。

如果生物進化是獲得性遺傳的過程起作用，那麼在生物個體發育前，老的遺傳基礎沒有發生變化，在發育後的生命過程中，生物為應對變化的新環境，最初還不得不依靠老的遺傳基礎，也只能利用這些老基因，開發出適應新環境的新性狀，獲得性狀，並逐步發展出和這些新性狀相對應的新基因結構。這些基因上的變化究竟怎麼變，我們現在還說不清楚，對老基因的利用只能是在表達上重新調配，關閉一部分，重複啟動一部分，形成不同的搭配，因此大概的方向可能是在調控上，或許還有調控重組，我們知道相同基因的不同組合可以有不同的功能。比如人在研究植物花型的構造時發現了著名的「ABC模型」，即A基因只決定萼片，A基因和B基因同時作用決定花瓣，B基因和C基因同時作用決定雄蕊，C基因本身決定表皮。還可能發展出新的基因也說不定，我們後面還要詳細的討論。現在基本可以明確的是新的變化不是靠否定舊的遺傳基礎而來，而是在舊基礎上發展而來，應是在保留舊基因的基礎上添加新內容。新舊基因應該有親緣關係。新的基因變化不是和環境及一定變異的性狀無關，而是明顯接受了環境信息和一定變異相對應的變化，也是後天獲得的。正因為每一步新的基因進化都是在舊基礎上的依次添加，所以個體發育表達時，進化史上發生過的每一步變化都不可能被丟掉。表達的有序性還在於每一步新的進化都是針對一個特定環境而來，它的表達也只在這個特定內外環境重現時再現，以前的發育基礎是後面發育發生的條件。這些正是生物發育過程中重演率出現的遺傳基礎。發育上的表達是按進化上的次序循序有續的進行，先發生的先表達，進化中晚出現的器官和體征總是在發育的最後階段完成。而如果進化是由突變的機制決定的，重演就不可能發生，因為舊遺傳基礎本身的改變，進化中的某一階段就可能被丟掉，重演可能變成間斷的跳躍式的，進化中的某些性狀可能不按進化次序的突然出現，可是我們看到的現象並不是這樣的。

生物進化上有一個規律，叫進化的不可逆規律，對大量的古生物和現代生物的研究都證明了這一點，生物進化只能從低等到高等，不可能從高等退回到低等。如果某種生物適應新的生活條件失去或退化了某些器官，如果再回到原先的生活條件，這些器官會恢復嗎？也不會。比如龜，鯨類又返回到水中生活，腮並不能恢復，呼吸還是只能靠肺。為什麼呢？如果進化真是由突變決定的，龜、鯨一點點恢復腮的功能並非沒有可能，畢竟發育中腮的痕迹還在。也就是說決定腮的結構基因還在。可惜決定進化不可逆規律的機制本質上和決定重演率的機制一樣，即生物進化是在保留舊遺傳基礎上不斷的添加新內容。這一點決定了進化中獲得的一切在都不可能輕易的丟掉，靠肺呼吸這一特定生理時期在生命的一定階段是必然要出現的；同一階段腮的功能必然是被關閉的。這一階段對重返水中的生物想輕易轉變呼吸機制是致命的，不可逾越的。只能從發展別的機制找出路，比如說提高肌肉和血液的含氧量。

科學研究已經證實，基因的進化確實是在保留舊基礎上的不斷添加，發展式（增加新的器官或性狀）進化是如此，退化式（丟掉一些器官或性狀）進化也是如此。高等生物基本保留了進化中獲得的所有遺傳信息，不用的基因沒有丟掉，只是在調控中增加了關閉程序。據估計人類基因中90%處於關閉半關閉狀態，半關閉的在發育中有時會有條件的表達，成了重演律的基礎；有些關閉不嚴的出現了返祖現象。

事實證明生物的實際進化走的是獲得性遺傳的進化路線，突變論所描述的進化方式似乎並沒有實際發生。

第二節 自然選擇還是用進廢退

某些動物的退化器官，似乎很難用選擇來解釋。比如人有一個退化的盲腸，盲腸本來用來消化粗纖維含量高的食物，可以擴大食物的來源。生活在地下的鼴鼠眼睛基本上是瞎的。這些能說是選擇的結果嗎？要知道人類社會在不遠的過去還是經常發生饑荒的，動輒成千上萬的人餓死。鼴鼠雖說長年的生活在地下，但一生中也有可能數次被迫到地面上來，比如洪水季節。

如果人有一個功能健全的盲腸，鼴鼠有一雙明亮的眼睛，無疑都會大大提高生存的機會。大自然沒有理由選擇退化的器官，更合理的解釋是用進廢退。人進化成雜食動物後，鼴鼠選擇地下生活後，這些器官平時就不經常使用了，所以就無可挽回的衰退了

動物有許多器官的形成是典型的用進廢退。比如人手經常勞動。腳經常走路，由於局部皮膚摩擦變厚形成胼觝，手掌和腳板的特殊皮膚明顯和周邊皮膚有所區別，顯然這些性狀得到了遺傳，但這種局部皮膚變厚的性狀其適應意義並沒有達到適者生存的地步，不具備基因型的選擇效果，除了用進廢退還真不好有別的解釋。

不只局部皮膚的適應性，手指和腳趾的形態結構也和其抓握，走路的功能高度適應，不由不讓人想到用進廢退。我們再看看不同動物在同樣這個部位都有些什麼進化表現。猛禽進化出捕獵的利爪；水禽有帶蹼的划水的槳；馬為了快速奔路，只剩中趾且變粗，好似腿骨的延伸，其餘四趾退化不見；鯨類前肢進化成魚樣的鰭狀肢，後肢退化不見；指猴為了能在樹洞中抓蟲子，食指和中指進化成又細又長的鐵絲鉤樣，和其它用於抓握的指截然不同；蝙蝠的趾則大大的延長，成了翼膜的支架，進化成用于飛翔的工具；這一切各異的變化真的是突變形成的嗎?我們可能事先連做夢也想不到，相同的部位在突變的方向上竟有那麼多的可能性，本來抓握行走的工具竟可以跨界發展成專用的飛翔戲水的工具，真是隨心所欲的變化。話說回來，既然有那麼多的突變可能性，對某一特定物種，向某一方向進化時，你所期待方向的突變發生概率又有多大呢，可能微乎其微了。突變作為一個隨機事件，發生的分布規律一般應該符合正態分布，也就是說突變分布是圍繞著平均數分布的。由於分布的趨中性特點，要想通過選擇使變化向一個方向持續不斷的發展是很難的，可是我們都看到了，動物器官向一個方向的發展變化似乎並不難。由於需要，蝙蝠的指（趾）發展的比臂還長。不僅局部可以特異性的發展，局部與局部，局部與整體的配合也令人叫絕。像鯨的鰭狀肢，整體結構與形狀特別有利於功能的發揮，該大則大，該小則小，厚薄有致，流線造型可以說是完美無缺。難道不同位點的突變也可以配合著發生嗎，這樣的突變概率又有多大呢，可以斷言這樣的突變基本不可能發生。

你相信這些器官的形成是選擇的結果嗎？前面說過的手掌形成的局部厚皮不具備基因型的選擇效果，這還是說手掌的進化已經定型了，尚不具備選擇效果。新達爾文派認為在進化上大多數性狀都是對微小變異的選擇積累而成的。事實上大多數微小的差異根本構不成基因型選擇效果。談到選擇，大多數人有一種誤解，認為選擇只是對某一性狀的選擇，錯了，選擇其實是對生物個體整體而言的，是對一個生物能否生存或能否留下後代而言的。生物能否生存受多種因素的影響，也就是說許多性狀共同決定其能否生存，除非單一性狀作用大到能起決定性的影響。我們上面舉得例子都是些微效性狀和非加性選擇性狀都不可能大到起決定性作用。一個生物可能好不容易突變出了一個性狀的有利變異，但整個生命可能隨另兩個不利性狀的出現而消逝了。所以對某一個性狀的選擇可能從一開始就不存在，更甭談效果的積累了。

如果真是靠突變加選擇可能生物的進化根本就不會發生，那麼上面例子中動物器官是怎麼進化出來的呢？生物進化有功能和結構統一的規律，是大量事實觀察的結論。功能創造結構，結構決定功能，兩者循環促進是推動生物進化的實際動力。用進廢退是功能結構統一規律的另一種說法。以上舉得例子都是功能需要，經常使用，推動結構相應變化的典型。

第三節 生物進化的內在動力

前兩節初步介紹了獲得性遺傳的概念，用其解釋生物進化現象的合理性。概括說獲得性遺傳一方面指環境對生物進化有直接的影響力，另一方面指生物有對環境主動適應趨向協調的能力，這正是推動生物進化的原動力。鯨的魚狀鰭的進化正是要適應水中這個特殊環境，划水時獨特的用力受力方式，才推動前肢發展成了鰭狀。功能結構的統一也是環境的推動，功能是適應環境的要求，結構是適應的結果。

據說達爾文創立了進化論後，常常照著鏡子百思不得其解，眼睛這個精緻器官是怎麼出現的。確實，除了環境的定向塑造和生物機體主動適應協調，靠突變加選擇是不可能從無到有，從低級到高級的創造和發展一個個如此完美的器官的。

到此我們舉得例子都是動物的局部器官，可以直接受環境影響，那麼動物身體內的器官是怎麼發生的呢？生物從單細胞向多細胞統一體的進化中其關鍵步驟，細胞分化是怎麼產生的呢？這些困惑人的問題，其推動力難道也是機體對環境的適應嗎？我們給予肯定的答案，是的。機體對環境的協調適應對生物進化的影響遠比我們原先想像的要大，我們只需引入內環境的概念一切就很好理解了。

前面例子中的環境是生物作為一個整體相對應的外部環境，如果從生物體內一個細胞，一個器官的角度考慮，它所接觸的外環境只能是這個機體的體內環境。同樣，單個細胞的細胞膜內又構成了胞內環境，相對於胞內細胞器的外環境。不同的細胞之間又互為對方的外環境。內外環境的概念是相對的，相對於什麼主體來說。細胞器，細胞，組織，器官還是生物個體整體所處的環境是有區別的，但在進化上它們遵循的機體和環境協調適應的原則是一致的，這沒什麼奇怪的。生物體內體液模仿的環境就是單細胞生物誕生地古海洋的環境，現在一個細胞面對的環境和其祖先單細胞生物面對的環境是一樣的。有細心的讀者可能會不太同意，海水那麼咸，怎麼和體液是一樣的呢.注意這裡說的是古海洋，億萬年過去，水汽循環，江河水溶解了大量礦物質，沖刷進海里，滄桑巨變，海洋早已今非夕比了，唯獨生物體，不管動物還是植物，不管生活在陸地，海洋還是沙漠都無一例外的頑強堅持著和古海洋一樣的等滲溶液，生理鹽水和葡萄糖一樣的等滲濃度，這種重演本身就是一個生物進化不可逆的實例，話收回來，繼續我們的討論。

生物在從簡單的單細胞向多細胞生物進化時，馬上必不可免的形成了與體外環境有很大差異的新環境——內環境。外環境複雜多變，不穩定；內環境穩定，專一，同時又多樣化。多樣是專一帶來的，本來多變，由於專一，區別形成多種不同的環境。處於不同環境中的細胞要分別與之所處的環境協調適應，於是最初的分化分工產生了，內環境的穩定專一，保證了分化的穩定進行。比如最簡單的原始多細胞動物——腔腸動物，最外層的細胞面對的是和本機體截然不同的千變萬化的外部環境，外層細胞就要分化出主要行使隔離保護的功能。比如外皮細胞。而腔腸內皮細胞主要面對的是包裹的食物等更原始的有機物，於是就發展成主要行使消化功能的細胞。其實不要說多細胞生物，許多更簡單的單細胞生物聚集在一起時，僅僅由於所處的位置不同，這些生物就可以分化出不同的機能。分化分工產生了，器官的雛形就出現了，器官出現了，機體就可以更專業，更有效的工作，從而向更高等的生命發展。機體對環境的協調適應也無主動被動之分，是個自然過程，是必然趨勢。比如有自我意識的人，對外界環境的變化可以說主動適應，而一個簡單的單細胞處於一特定的環境能怎麼樣呢？還是那個處於包裹食物的環囊內腔的單細胞，本來單個細胞功能上是全能的，可以感覺、運動、避害、捕食、消化、繁殖等，但在這穩定的特定環境中，它除了消化還能幹什麼呢？既不用捕食，又不用避害，於是單一功能大大發展，其它功能退化消失，發展成了專門的消化細胞。機體的每一步進化，馬上就會創造出更新的環境，比如消化器官形成後，周邊環境很快成了廢物和營養物的堆積場所，需要將其運走，於是發展出了專營運輸的細胞、組織和器官，循環系統出現了。各組織、器官、系統需要協調，神經系統應運而生。生物就這樣在不斷調整機體對環境的關係中，對外更適應，內部更協調。分工越細，功能越專業有效，協調越完美，一步步完成了從低等到高等的進化。生物進化是這樣，人類社會的發展也很類似，就是因為簡單的分工出現，生產可以更專業，更精，更深的發展，生產力的發展進一步促進了分工和專業階層的出現，從而促進了科技文化的爆炸性發展，使人類社會迅速脫離了原始自然經濟，步入了現代社會。人類最初的原始分工是怎麼產生的呢？可能就是因為自然環境的不同，相當於外環境，所謂靠山打獵，鄰水捕魚，土質厚，水系好的發展農耕，游牧民族永遠產生於草原。有了分工，交換隨後就產生了，有了集市，出現了市民階級。這是社會環境的發展需求造成的，相當於生物體內環境的發展變化，看似不同的人類社會發展和生物進化，實際受共同的法則支配，環境及對環境的協調適應是發展的原動力。

有的讀者可能不同意我們論述的分化細胞的形成機制，是細胞對內環境主動適應的結果，認為突變加上環境的適應性選擇也可以達到以上的效果。好，我們就分析一下，為什麼突變加選擇是不可能達到進化效果的。

我們知道有意義的突變只能發生於生物個體發育前的胚前生殖細胞到受精卵這一階段。一個突變對環境的適應不是一個生命整體對外環境的適應那麼簡單，而是要適應每一個微小內環境，才可能達到總體適應。生物體每一個局部部位都夠構成一個微環境，不好說有多少處，大體可以知道分化細胞的數目。哺乳動物和人差不多，據統計有200種不同的分化細胞，細分可能還更多。一個基因位點的突變對一個分化細胞的效應分最簡單的兩種可能性，適應和不適應來說，對200種不同分化細胞的適應和不適應可以有2200種不同的組合，全適應的只有其中一種。有人會說全適應太苛刻了，只要有一半的適應，就能適應，可以選留下來，一半適應就是2100中有一次組合合適，仍是天文數字。有人會說適應少數細胞就能適應了，別處不適應也不會造成什麼樣的災害吧，這可不對，細胞的基因在不該表達的地方表達了，製造了不需要的蛋白，對特定細胞就是致命的。細胞學研究已經證實，細胞中用過的，暫無用的蛋白沒有及時降解，對細胞都是致命的。儘管如此，我們也可以更寬鬆一些認為突變對80%的分化細胞是中性的，去除160種還餘40，40種只要一半適應，就能適應，組合數變成220，其中一種適應，是能選擇留下的候選者。可是事情還沒完，再回到前面討論的鯨的肢變鰭的進化，肢變鰭已經相當複雜了，這還不代表鯨的全部進化。鯨的全身呈流線型的魚形，尾部像魚尾，後肢退化不見，和陸上奔跑的哺乳動物大相徑庭，所以叫鯨魚。這起碼涉及到頭，胸，背，腹，腰，尾，肢幾十個位點的協同進化，這只是外形的變化。潛水要抗壓，涉及到骨，肌肉內部的變化。外部皮膚體毛要褪掉。鯨的皮膚可不是一般的皮膚，它的特殊結構可以有效的消除渦流，提高泳速。鯨的呼吸機能雖還得靠肺，但鼻孔轉到背部，在水中還能自動閉合，血紅蛋白和肌肉中提高儲氧能力，必要時基礎代謝要降低，方能潛水1～2個小時。在水中眼睛用處不大，得靠超聲波探測，得發展出發聲器官，接受器官，大腦中新的信息處理器官。不說了，一個物種的進化可不是單性狀的進化，大概得涉及幾百個不同基因的協同變化，我們在寬鬆的一步到位把它稱作20個不同基因，有利，不利兩種最簡單的突變方向，又一個220種組合，其中只有一種是全有利的組合。兩個220數字，意義不一樣，前一個是一個基因位點突變在20個不同分化細胞適應的組合分配數，後一個是20個不同基因突變有利不利組合的分配數，後者每一個基因的突變都面臨著在不同分化細胞中能否適應的問題。適應選擇候選者的出現概率變為220×220=240種中只有一個合格。還得把它換算成具體時間，並不是細胞每分裂繁殖一代的突變都有進化意義，鯨這種動物只在每一世代生殖細胞（性細胞）發生的這次突變才有意義。人的世代間隔大約20年，小鼠兩個多月。鯨是一種長壽大型動物，世代間隔短不了，我們就寬宏大量的算作一年吧。也就是說假定每個基因一年可以出現一次有利或不利的變異，那麼鯨240年才可能出現一次選擇能留下的有利突變組合的基因型。240年多長呢，簡單換算一下，240=1.1×1012，，109是一億年1011是100億年，也就是說240年不僅長於鯨的歷史，也大大長於生物史，地球史，宇宙史。換句話說進化不可能發生，你一定會說我算錯了，我的回答是我沒有算錯，也夠寬鬆，據估計DNA的核苷酸量突變率，每一代複製，109個核苷酸對才變一個，這個因素我剛才都沒有算在內，錯的是突變加選擇理論本身。生物進化是實際發生的現象，也只有用進廢退，在環境的誘使下，基因向一個方向的協同變化，進化才可能完成。如果突變真是一個隨機事件，有利不利的變異只能隨機搭配，自然選擇真的無法進行。

第四節 生物體機能大分子的進化

支持獲得性遺傳進化路線

近幾十年分子生物學的快速發展，基因組測序工程，蛋白質組學工程的大規模展開使我們得以從分子角度了解生物進化的秘密。雖然在這些領域還有大量的未知，但已弄清的大量事實無不支持生物進化走的是獲得性遺傳的路線圖，儘管這個路線圖尚不完整。下面我們從基因進化（結構基因部分），蛋白質進化，基因調控進化三個方面討論這個問題。

基因進化

首先比較一下原核生物和真核生物基因組構成的不同，可以得到一些進化的啟示。原核生物基因基本上是連續的，即不含內含子序列（不表達部分），染色體上重複序列很少。而真核生物的基因是不連續的，內含子和外顯子（表達部分）相間排列，稱為斷裂基因。且基因組有大量由共同祖先基因發展來的重複基因。生物越複雜，每個基因包含的平均內含子數目也越多，重複序列的比例也越高，不編碼基因產物的DNA序列越大，比如人的基因編碼序列佔總序列的此例才1/10多一點。內含子存在的起源現在還有爭論，我本人比較傾向於這是一個進化過程留下的標記，否則為什麼低等生物少有，越高等生物越多呢，可能標識了新的進化基因是過去小基因組合構成的結果。每個外顯子都是一個基本模塊，編碼蛋白質分子的一個基本單元或一個結構域，過去是獨立的，組合在一起形成大基因時，由於統一調控，獨立的調控部分不再需要了，逐漸失去功能。還有的可能是歷史上有用的基因和基因結構單位，隨著進化，不需要了，像前面所說的屏蔽基因。據中性突變說，選擇是允許失去功能部位的突變存在的，天長日久，突變使這些部位變得面目全非，很難追溯它當初從哪來，什麼的幹活了。通過對基因組的分析比對，現在科學家比較一致的看法是：基因進化是通過基因重複加趨異，基因重複加重組而形成新基因來實現的。我很同意這個結論，但不同意對其形成機制的解釋，現在流行的解釋把這種形成視作隨機過程，歸於突變的一種形式，一種說法是：由於DNA複製，DNA重組，DNA修複發生錯誤，造成重複。我認為可能性不大，複製是以一條完整染色體為模板複製，然後有絲分裂是非常精確的分配過程，怎麼會平白多出一大段重複序列。如果以染色體為單位多出一條，到有可能，那就是多倍體了，也不是現在這樣僅多出一截。DNA確有重組，特別是減數分裂時，重組經常發生，但這時是等量的重新分配，也不是平白多複製一截。二是歸於轉座子的隨機插入。確實，轉座子的插入是造成重複的重要原因，據估計哺乳動物中近50%的重複基因和轉座子有關。轉座子是一種特殊基因，其基因序列含有特殊編碼的酶，可以把整個基因以逆轉錄的方式插入基因組序列中，這是個非常有意思的問題，我們在後面的進化機制中還要進一步討論，我不同意的只是隨機二字，第一，只有本身活躍起來的轉座子才可能插入，基因的啟動本身就不是一個隨機過程，而是個複雜的調控過程。第二，由重組構成的新基因，雖來自不同模塊基因的重組，但也是功能接近，能配合一起形成有統一功能的蛋白質的外顯子模塊。如果不同功能，不能配合的模塊隨機湊到一起，誰能保證它們能湊成一個有完整功能的新基因。人們的慣性思維，一碰到暫時弄不清成因的變化，都冠以突變。省事是省了，可往往經不住進一步推敲。

讓我們回到前面推演過的獲得性遺傳的進化路線，生物體為應對新的環境變化，只能再次起用老的基因，把它們重新調配，從不同的搭配中獲得新的功能。這條路線似乎很自然的導向重複加趨異，重複加重組的基因進化路線，顯然兩者是可以接軌的。凡重複使用頻率高的基因，就越容易出現重複序列，比如RNA和tRNA，從事繁重的翻譯加工蛋白質的工作，編碼這兩種RNA的DNA序列就有很多重複。編碼主要mRNA的DNA序列也一樣。機理可能是越活躍轉錄的基因越可能得到複製（機理後面討論）。重複的基因發生趨異也不難理解，因為最初是借用功能相近的基因應對新環境變化，不能完全適應，在進化中對編碼適當修改也是合理的。這些重複基因和祖先以及趨異的親緣基因間在使用功能上有一定差異，一般它們在不同的組織和不同的發育階段表達，執行任務也有差異，可見當初並不是簡單的隨機複製，是由於不同的需要才發生的複製。由轉座子插入組合在一起進化成功能健全的新基因也容易理解了，因為當初生物調動到一起共同執行某一新任務的若干基因，一定是功能相近，能配合作用的基因，在它們共同執行一件任務時，同時活化了各自的轉座機制結合到一起，形成有功能的基因是很自然的。有些生物，特別是一些低等真核生物，編碼一個酶的基因並不在一個位點連鎖著啟動，甚至是散布在不同的染色體上，但它們卻能同時啟動，編碼一個蛋白質，這是不是進化的一個中向過程呢，還處於調控搭配階段。

總之，比對獲得性遺傳的進化和DNA的進化，二者應該是吻合的。只是沒想到基因的進化走的更遠，當初以為把不同的基因組合調控搭配在一起就夠用了，現在才知基因進化把這些組合搭配固定下來，形成新的基因，功能發揮上當然更便捷了。

蛋白質進化

科學家最初在研究蛋白質結構時，按照突變論的觀念推理，進化是孤立的突變事件，蛋白質在結構和功能上的進化應該是獨立發展，彼此沒什麼關係的，可研究結果讓人大吃一驚。我們有前面的討論做鋪墊自然會想到不同蛋白質在結構上應該彼此是有關聯的，事實的確如此。大部分蛋白質是由一系列基本蛋白質結構域組成，這些多結構域蛋白質被認為是由編碼每個結構域的小基因組合在一起形成的新基因所決定。一種結構域可以在多個蛋白質中出現，幾種不同結構域的不同組合可以形成多種不同的酶，叫做結構域洗牌。

人們原來以為許多形態不同的細胞及其特異結構，構成其形態的骨架蛋白應該沒有什麼共同點，可是研究了許多細胞的特異結構卻發現彼此有很親密的親緣關係。例如感覺器官的觸毛，馬蹄蟹精子的頂體，小腸上皮的微絨毛，遷移細胞的絲足，這些看上去不相干的結構都是採用相同的線型多聚肌動蛋白構成。還有決定細胞有絲分裂的紡錘體，神經遞質小泡的傳輸，真核細胞的纖毛，鞭毛，神經細胞突出構造，視聽感覺細胞的特化結構，細胞分化決定子的定位等不同形態和功能都與細胞微管和其動力學特性有關。這樣的例子舉不勝舉。

基因中內含子的存在，使外顯子成為了獨立的模塊，方便了不同的組合，例如大鼠α-厚肌球蛋白基因轉錄的RNA，通過選擇性剪接可以形成編碼橫紋肌，平滑肌，成纖維細胞等五種蛋白質的不同mRNA。更有甚者，不同基因上的外顯子也可以組合到一起編碼一個蛋白。

不厭其煩的舉這些例子無非就是想說明蛋白質的進化不是通過孤立的，彼此無關聯的突變形成的。多數是通過先前基因的重複和重組，和DNA的進化遙相呼應，符合獲得性遺傳推演的進化模式。

基因調控的進化

在第一節推演獲得性遺傳進化模式時，就感到由於要調配不同基因的表達，基因調控方面的進化將是生物進化的主要方面。實際了解了高等生物基因調控的複雜和精巧後還是讓我們驚嘆不已。

原核生物的DNA序列大部分都是編碼的外顯子，調控部分很小，往往一兩個因子就可以啟動，而且一個啟動子就可以啟動一串不同的基因，稱為操縱子。而真核生物的調控就複雜的多了，沒有了操縱子，每一個基因都有單獨的調控部分，常常佔據很長一段DNA序列，長達5萬個以上的核苷酸對的並不少見，稱為基因調控區。比如人的DNA序列中，編碼的只佔1.5%左右，大約3萬個人類基因中還有約5-10%編碼的是基因調節蛋白，可產生幾千個調節蛋白。有的基因的調控區可結合幾十個調節蛋白，有激活的，加強的，有阻遏的等等。複雜的調控可以應對複雜的內外環境變化，像其它的蛋白質一樣，有時多個調節蛋白像亞基一樣組合在一起形成一個蛋白複合體才有活性，這些亞基可以結合在不同的基因調控區，不同的亞基可以在不同的發育階段產生。有時多個蛋白作用於一個基因的調控，可以使某一個基因在適合的時機、適合的位點，做出正確的反映。有時一個調節蛋白可以作用於多個基因，使其協同作用。就像密碼子鎖的數字一樣，都搭配齊了才啟動，由此做到精準、協調。調控蛋白的產生本身又受其它因子的調控。有時一個基因的啟動可以引發一連串的基因相繼啟動，形成級聯調控。這些調控可以使生物體像一個精密的機器一樣，局部與局部，局部與整體之間用一張網路聯繫起來，牽一髮而動全身，協調配合，應對內外環境和自身發育的需要。我們這裡不想過多的討論調控機制本身，只是想對調控的進化發展有所啟迪。顯然，認為僅靠孤立的突變就可以形成如此複雜精巧的網路聯繫是不可想像的。

獲得性遺傳講的進化不是孤立的事件，離不開環境的影響。我們引入內環境的概念後，可以看出生物體內器官與器官之間、細胞與細胞之間、細胞器之間、DNA與蛋白質之間本來就是互為環境，互相影響的。進化本身就脫不開各因素的相互作用，內外環境的相互作用，建立起複雜的調控聯繫是理所當然的結果。

這樣複雜的基因調控具體怎樣建立起來的，現代科學還沒有給出答案，但也可能不像想像的那麼複雜，基因在組合形成新的基因時，很可能把原來調控的基礎也帶過去了，只要把新的調控因子不斷地加進去就行了。基因調控區、調控蛋白都是由小的亞基成分組合構成的，明顯組裝起來的，不是突變來的。

第五節 獲得性遺傳形成的分子機制

一、中心法則逆向途徑存在與否是問題的關鍵

突變加選擇的進化學說主要理論根據是分子中心法則，即只發現了生物信息是從DNA→RNA→蛋白質的方向流動，而沒有相反的方向。因此生物進化之源只能是DNA，依賴於它的突變。如果獲得性遺傳存在，那麼信息流嚮應該也存在逆流向，即蛋白質→RNA→DNA。現在直接的證據確實很不完全，儘管中心法則早已有了很大鬆動，但多數學者似乎仍然認為逆向途徑只不過是局部的特例，這也是突變加選擇論現仍佔據主導的原因。下面我們從四方面（二～五）討論逆流向存在的合理性及存在的直接、間接證據。

二、逆向中心法則可能存在嗎？

我們都知道DNA決定了蛋白質的結構，那麼蛋白質可能反過來影響DNA的結構嗎？我們前面討論了獲得性遺傳的合理性，其關鍵就在於其理論強調了內外環境對生物進化的直接影響。內外環境是通過蛋白質起作用的，這裡也就暗示了蛋白質對遺傳物質發生了影響。講進化是把生物作為主體，強調了環境的單方面影響，只說了問題的一面，另一面生物體對環境，對其它生物的進化同樣影響巨大。一特定生物本身也是環境的一份子，環境的概念本來就是相對的。其實世間萬物從來都是相互聯繫、相互依存、相互影響、相互作用。作用影響力不可能是單方面的，必是相互的。有作用力就有反作用力，磁能生電，電也能生磁。上層建築為經濟基礎服務，經濟基礎是上層建築產生的決定因子。存在決定意識，意識鞏固存在。DNA決定蛋白質成分，難道蛋白質就不能……？相互作用是宇宙間物質運動的普遍規律，為了對這點有個更加清醒的認識，我們多費點話描述一下生物和環境相互影響，循環互作得以發展的自然史。

地球形成之初，是沒有生物的。利用海底火山和溫泉作為能量來源，利用非生物形成的簡單有機分子，所謂的原始肉湯作原料，一些分子聚合起來，形成地球最初的生物，古病毒和古細菌。古細菌的發展很快把食物——原始肉湯消耗殆盡，這是生物對環境的第一次改變。沒了食物，生物被迫轉變生存策略，發展出了利用陽光作為能量來源，水和CO2作為原料合成自身物質，第一批光合異養生物——古藍藻細菌出現了。光合細菌的出現，開始改變了地球的大氣成分。那時的地球大氣不像現在，是沒有氧氣的，氧都以結合狀態存在，那時如果有像人一樣的外星人來到地球，馬上就會憋死。光合生物還原了氧，氧氣出現了，並且越來越多，這是地球環境的第二次大改變，地球上的生物又得改變生存策略。最初地球上的原核生物都是厭氧的，轉化能量是靠無氧發酵的方式。氧氣出現，利用氧進行呼吸的真核生物進化出來了，因為氧化獲得的能量要高得多，真核生物很快繁榮起來了。老的厭氧原核生物在氧環境中大量死亡，騰出了生存空間，倖存者也被迫改變了生存策略，少部分進化出了有氧生存的能力，大多數成了兼性厭氧菌，開發出了SOD酶，對抗氧化的破壞。SOD並不是雙歧桿菌的專利，而是多數兼性菌的生存策略。從真核生物進化出了植物，自養生物的繁榮積累了大量營養物質，又使異養生物——動物進化出現了。植物雖然又造氧又耗氧，但製造的速度遠高於消耗，加之動物剛出現不興旺，生物又開始改變大氣環境。20億年前大氣90%是CO2,直至6億年前CO2仍佔90%，大約在5億年前，植物僅用一億年就消耗了大氣中90%的CO2,反溫室效應出現了，冰河期來臨。這次冰河期的成因可能有太陽系氣象的原因，但是和CO2的消減期是吻合的。生物又一輪的大滅絕，特別是植物大批死亡，封蓋在冰雪下，成了今天的化石燃料。植物的發展相對受阻（但這時許多適應性強的高等植物誕生出來了），動物的發展相對較快，呼吸作用和其它地質原因，大氣中CO2不斷增加，氣溫開始回升，生物世界重又繁榮，直到人類的出現。眾所周知，人類的活動使地球氣象向溫室方向發展，又一場危機快來了，可能已經開始了。不厭其煩的說了這麼多，只是想讓我們對事物間互相作用規律的普遍性多點哲學的思考。DNA和蛋白質的關係也不例外，如果蛋白質不能影響DNA的構成倒是件奇怪的事了。當然哲學的思考雖然有助於我們把握事物的大方向，卻不能代替科學的實證，科學的事還得科學來解決。

三、生物信息的真正發生處在DNA還是蛋白質

在確定生物信息傳遞方向以前，重要的是先確定信息形成在什麼地方，確定了發生處，傳遞方向自然就確定了。許多人會不加思索的回答這個問題，儲存遺傳信息的地方當然是DNA了，這是常識。這裡還是思考一下為好。儲存遺傳和發生生命信息並不是一個東西，遺傳是信息某一方向的傳遞，我問的是生命信息的發生和起源。生命之所以成為生命，是因為生物體能進行特殊的生命活動，物質代謝、能量轉換、物質合成、攝取、消化、感覺、運動、複製等，是因為生物體各處都能進行獨特的複雜的生化反應。生命活動的信息產生在結構和功能進行的地方是合乎情理的，認為信息產生在細胞核中的DNA，甚至只能在遠離功能區的遺傳細胞（性細胞）核中的DNA中，是多麼不可想像，可是突變說就是這麼認為的。結構和功能按哲學的話說就是物質的存在和物質的運動，這兩點決定了事物的根本屬性，這就是生物信息。生物體不同部位結構的構成，不同功能的執行都是各異的蛋白質完成的，生物信息就發生在這裡。生物的本質特徵是能複製自己，生物要能再現自己，第一步要做的是把進化中獲得的信息記錄儲存下來，這就是蛋白質→DNA的信息流動，第二步才可能有通過儲存的信息複製本身，即中心法則。脫離了功能單位能產生功能信息的說法，不知你信不信。反正我不信。打個比方，書本能記錄知識，供我們學習，我們可以根據書本上的圖紙造機器，蓋高樓，但知識能產生於書本嗎？顯然不能，知識只能產生於實踐。

人們在了解了生物的遺傳結構後，驚異的發現，動植物兩種不同界的生物，差異如此之大，遺傳結構竟然都是由同樣的四種鹼基編碼的DNA構成的。如果生命信息源自DNA，同樣的DNA突變應遵循一致的規律，說不定就會出現帶葉綠素的動物，會行走的植物，這樣的生物不是有更強的選擇優勢嗎，可惜不會出現。決定性的因素產生於生物的功能部分，功能蛋白體和環境中的陽光，CO2和水互作發展出植物獨特的代謝生存類型。DNA並不能決定這一切，它只是忠實的記錄下了這一切。

現在我們知道蛋白質的結構高度複雜精密，執行各種生化任務時，它的空間構型差一點都不可能具有功能。如果不接受功能單位的信息，僅靠突變，DNA就能形成編碼複雜功能蛋白質的正確核苷酸序列，簡直是不可想像的。實際上對DNA的測序研究已經證實，突變不可能帶來正確的編碼信息，DNA上凡是無功能的區域都是突變率最高的地方，相反有功能的區域，越是重要的功能區域，越保守，突變率越低。可見DNA上儲存的功能信息並不源於自身的突變，一定是另有其它來源了。

基因組學和蛋白質組學的研究告訴我們DNA並不能完全決定蛋白質的結構，DNA只決定蛋白質的一級結構，即氨基酸的排序，蛋白質可以自主的摺疊成二級、三級結構，這時蛋白質才具有功能，這些信息似乎儲存在蛋白質自身和氨基酸中。前面講過，有時編碼一個蛋白質的基因不在一個染色體上的鄰接位置，甚至分散在不同的染色體上，有時不同基因的外顯子可以通過剪接形成一個mRNA，這些信息好像是獨立於DNA之外的。研究發現蛋白質確實可以對翻譯後的內容進行有選擇行的修改和自組織，甚至來自不同基因的結構域也可以根據任務需要有選擇的組合在一起，形成一個超級蛋白功能複合體。這是否暗示我們蛋白質在信息的決定和把握上起到領先和主導的角色作用呢。

如果信息確實產生於蛋白質，如果沒有信息從蛋白質向DNA的流向，生命過程也就終止了。其實我們在前面討論獲得性狀過程中這個流向是明顯可見的。生物在適應環境的反應中，首先接觸環境信息的肯定不是細胞核中的DNA，而是感覺細胞中的功能結構部分，通常是蛋白質。對外界信息歸納綜合後發出信號，通常也是蛋白質。指導相應器官細胞中的DNA轉錄做出相應反應。其信息流向為蛋白質→DNA→蛋白質。我們上面討論的信息的產生和儲存不要理解成截然可分、經緯分明的過程。實際可能是蛋白質在獲得每一步的進化都要及時複製在DNA上，否則下一步進化就不知從何處開始了。信息流動是及時的循環往複，推動了生物的進化。

四、生物進化史揭示了DNA本身就是進化的產物而非進化之源

針對DNA突變是進化之源的理論，如果再追問一句，這些基礎DNA是怎麼來的呢，也是突變來的嗎，無法回答了。為了弄清楚事情的本源，我們簡單的回顧一下生物最初的發生進化史，往往可以使事物本來面貌簡單化，追本溯源，有助於弄清RNA、蛋白質、DNA之間的關係。

生命的本質是什麼，這個問題很複雜，但起碼包括這樣幾個特徵，能進行一定的生理活動，具備一定的代謝類型，和外界進行物質交換，能轉換外界能量進行自組織、能複製自身。從這些角度考慮，DNA能獨自組成最簡單的生物體嗎？DNA能複製，但不能獨自完成任何一項簡單的生理活動，顯然不能獨自形成最初的簡單的生命。RNA呢，RNA能複製，也能進行一些簡單的生理生化活動，比如起到催化的核酶系統，應該是能組成最初簡單生命的候選者之一。蛋白質呢，幾乎完成了一切生理活動和機體的結構組成，能不能複製呢，有爭論，但起碼造成瘋牛病和人克雅代病的元兇是蛋白質病毒，儘管機理尚不清楚，但都不能否認有一定的複製功能，因此形成最初簡單生命的機會比較大。

誰有機會成為最初的生命，還有一個分子基礎問題。最初的生物是從原始地球無生命的無機物質組織進化而來，這一點沒有爭論。儘管現在DNA、RNA、蛋白質都是在生物體中進化形成的，但它們最原始的簡單構成有沒有可能直接從無機世界而來卻是問題的關鍵。科學研究已經證實，組成蛋白質的氨基酸，組成RNA的戊糖，磷酸，鹼基成分嘌呤和嘧啶都可以在實驗室條件下對一些含有C、H、N、P、O、S的簡單無機小分子進行單純的放電處理就可以獲得。它們就是地球上原始肉湯的組成成分，唯獨組成DNA的脫氧核糖都不能在自然條件下產生，只能在生物體內酶的作用下對核糖脫氧獲得。DNA只存在生物體內，可是在無機條件下都可以形成最簡單的RNA和蛋白質，開創生物進化的先河。

和以上的分析一致，人們發現的最簡單的生物就是由RNA和蛋白質組成的病毒，推測它們的祖先應是最初的生物。其實還有更簡單的類病毒，只含RNA不含蛋白質，也能複製自己。一些學者認為RNA是最古老的生物，可能還有一個前RNA世界。可是不知道朊病毒算不算生物，如果算就不知誰更古老了。不管怎麼說，RNA和蛋白質很快組合在一起，構成了早期的生命。那時DNA還沒出現呢，這都是不爭的事實。儘管最初的RNA和蛋白質分別各自具有復

相關閱讀:

推薦閱讀：