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让子弹飞才能更好地进步 精选

已有 2498 次阅读 2021-4-7 08:55 |系统分类:科研笔记

帮同事在电脑上修改新闻稿,一个项目启动的事情。项目带有科研性质。一番裁减梳理,同事很满意:终于说清了!这样修改就把整件事情说得一清二楚、一目了然了。就这样定稿吧!

想了一下,再次动手敲字。同事大叫:不对!写这些干什么?没用的!我解释说,要写些背景情况,交代事情的来龙去脉。同事疑惑:这不是画蛇添足吗?我安抚同事:别急!看我怎么写。

之后,同事还有几次质疑。我都没有理会,只说“到最后再看”!

没有用多少字。宕开一笔,三言两语,描绘出事情的历史方位,所属产业的宏大背景和远大前景。再回到项目自身,点明项目研究成果将为所属产业添油加力。

同事喝彩:好!

我解释说:新闻报道要揭示事件的社会意义。不是任何事情都要报道的。鸡毛蒜皮,香头萤尾,这类小事写出来也没人看,徒耗笔墨纸张。新闻事件的社会意义,不能空说重大如山、长久如河,要将其定植回社会背景中,激话其来龙去脉,逼出一句不得不说的话来,点明其作用。这就是让事实说话。

让子弹飞。这个理想很丰满,现实则极其骨感。子弹很难摆脱地心引力;超过第二宇宙速度也摆脱不了太阳引力;努力到第三宇宙速度也飞不出银河系;突破第四宇宙速度才能冲出本星系群的束缚,还有本超星系团抓住不放;突破到第六宇宙速度时再增加速度,相对论效应就会原形毕露,动质量随速度增加而增加,加速越来越困难,以至于会像狗熊一样笨死。修改新闻稿,我要放飞思想,同事却不断质疑。如果我没有主见,势必半途而废,最终例行公事,写清新闻事件交差了事。

没有宽容,不让子弹飞,改一篇新闻稿都会半途而废。大凡世事皆如此,古人因此留下一个典故:掣肘!小事不成也就罢了,大事不成就狠狠地不妙了。这不是危言耸听,因为我说的这个大事是生物进化。进化不成,世界就没有姹紫嫣红的勃勃生机,当然不妙得狠之又狠了!

达尔文解释生物进化是这样一个过程:生物世世代代都会产生些许变异,通过自然选择和竞争,有益的被保留下来,无益的变异导致个体不是死亡就是无法生殖后代而被淘汰出局,生物因此一代比一代更适应自然环境。这个过程被翻译成八个汉字:物竞天择,适者生存。在达尔文之前,最早承认生物进化的大师是拉马克。拉马克解释生物进化是一个用进废退的过程,经常被使用的器官就会越来越发达,否则就会衰退。拉马克的学说中也隐含着变异概念,只是这个变异是定向的,以有用无用为指针,就像那位同事质疑我的修改一样。达尔文天才地意识到,拉马克的学说意味着生物要么纠缠在有用无用之中而裹足不前,要么一条路跑到黑无法产生新物种。因此,达尔文果断宣称,变异是随机的,毫无定向可言,三百六十度,变异可向任何一度步进,自然选择的优胜劣汰则匡扶着生物进化,乃至形成新种。

有变异,就有不变,不变的就是遗传。达尔文时代还不知道遗传的物质载体,也就无从知晓变异的本质,更无从得知是否还有看不见的变异,人们只好跟着感觉走,认为达尔文更有道理而接受其学说。达尔文提出自然选择进化论不久,孟德尔用豌豆试验证明生物性状由遗传基因决定,并揭示遗传基因可以分离可以组合。之后摩尔根用果蝇试验又揭示遗传基因可以连锁可以互换,并发现遗传基因由染色体承载。人们还发现染色体是脱氧核糖核酸超长大分子反复折叠而来。脱氧核糖核酸缩写为DNA。1953年,沃森和克里克发现DNA的双螺旋结构,使人们从分子水平认识了遗传的本质。DNA由核苷酸聚合而成,每个核苷酸带有A、C、G、T四种碱基中的一个。DNA有两条长链,两链之间A对T、C对G手拉手,很像锁合的拉链。复制时,两条单链一边拆开,一边以A对T、C对G的方式各自聚合装配新的单链,最后形成两股姐妹染色体新链,这样就复制了基因,这是最基本的遗传过程。A、T、C、G相当于横、竖、撇、捺四个笔画,DNA单链内相邻的三个碱基(笔画)组成一个密码子,编码表示氨基酸,相当于一个字。氨基酸聚合成蛋白质。蛋白质作为酶催化各种生物化学过程,或者作为构件参与细胞运动。A、T、C、G四种碱基可组合出六十四个密码子,一些密码子同义表示同一个字,相当于坑、阬或并、並、併、竝之类的异体字。六十四个密码子共表示二十个字,遗传基因就由这二十个字写就。一个基因,少者几个字,多者上百万字,简直就是雄文一篇。至此,人们才明白达尔文所称的变异最基本的就是基因突变,而基因突变的本质则是碱基替换或增减,碱基替换造成密码子不同,相当于改写了一个字;碱基增减造成后续密码子重排而改写一系列字。文章改一个字就是另一个版本,基因改一个字也变成新版本,含义自然不同,造成生物适应自然环境的能力不同。大量研究发现,一个基因内任何位置上的碱基都可能替换增减而变更基因含义,确实像达尔文断言的那样,突变是随机的,没有一定方向。

既然没有一定方向,那么突变就会有好有坏。的确如此!人们发现,很多基因突变是有害的,乃至是致死的。然而,这些坏基因并没有被自然选择彻底清除掉,它们仍然顽固地时不时跳出来表现为遗传病,让人十分地无可奈何。为什么变坏的基因不被自然选择清除掉呢?这是一个大问题,它严重冲击着达尔文自然选择学说理论大夏的根基。

遗传基因被定位到染色体上之后,人们马上就明白了坏基因难以被清除的关键是双倍体。真核生物正常细胞中有双倍数的多条染色体,每条染色体都有另一个版本,其中一个来自父亲,另一个来自母亲,两者称为同源染色体。同源染色体相同位置上的基因版本可能相同,也可能不同。同一基因的不同版本称为等位基因。等位基因的数量两个至多个不等。两个等位基因相遇时,通常是一个决定性状,称为显性基因,常用大写字母表示;另一个不决定性状而被隐藏,称为隐性基因,常用小写字母表示。隐性基因只有在同源染色体上版本相同时才决定出性状。在孟德尔的豌豆试验中,决定红花的等位基因为A,决定白花的等位基因为a,同源染色体为AA、Aa基因组合的植株开红花,aa组合开白花。自然选择的作用仅限于性状,对基因自身无法进行选择。在Aa组合中,a悄悄搭上了A的便车,逃避了自然选择,得以遗传下去。坏基因往往是隐性的,好基因往往是显性的。坏基因常常能搭上好基因的便车,因此无法被自然选择彻底清除。如果生物不是双倍体而是单倍体,每条染色体都是独子,那么基因就无所谓显性与隐性,都会表达为性状而接受自然选择,坏基因自然就会被清除得干干净净了。事实上,原核生物细菌就是单倍体生物,它们只有一条环状染色体。细菌中突变出的坏基因因为严重削弱生存能力,导致细菌个体死亡或无法繁殖,坏基因不能遗传下去而被清除掉。在双倍体真核生物中,如果坏基因是显性的,那么它就像细菌中的情况一样,很快被清除掉,因此被人们观察到的坏基因往往是隐性的。为什么真核生物要固执地用双倍体保留坏基因呢?

落潮才现出裸泳,终点才分出胜负。坏基因很可能就像同事质疑我的那样,是一个正在改进的版本,看似有害,其实将会变得更好。如果只是因为暂时有害而被清除,那么基因改进就会半途而废,生物世界的进化将会大打折扣,将永远停留在细菌阶段,连多细胞生物都不可能出现。由此可见,双倍体保留坏基因,其实是挽留基因进一步变好的机会,是分子水平上的让子弹飞!就像修改新闻稿那样,坏基因改进可能化蛹为蝶,成为更好的等位基因,使个体获得更大竞争优势,在世代繁衍中个体数量猛增,淘汰排挤原来的显性基因,一飞冲天,变成新的显性基因,生物群体因此明显进化一大步。

突变的基因有好有坏,其实更多的突变既不见好也不见坏,木村资生称之为中性突变。中性突变不改变性状,因此不接受自然选择。但是,中性突变的基因可能都像坏基因一样,是正在改进的中间版本。这更是一种分子水平上的让子弹飞。单倍体的细菌就这样进化着。

相对于突变前,突变成的新等位基因既可以是显性的,也可以隐性的,但后者占绝大多数。假设A决定红花,a决定绿花,绿花与绿叶不容易分辨开来,无法吸昆虫传播花粉,属于坏基因。如果坏基因a突变为a',决定开紫花,吸引昆虫传粉的性能比A的红花更好。在a'相对于a、A都是隐性的情况下,a'就会排挤A、a而成为事实上的显性等位基因。由于连锁的原因,这样会清除其他好基因。连锁就是位于同一条染色体上的不同基因,例如两个基因各有一个等位基因,分别表示为A、a和B、b,那么就有A-B、A-b、a-B、a-b四种连锁,构成四条染色体版本。如果a'发生在a-b中,新连锁染色体a'-b会竞争排挤A-B、A-b、a-B、a-b四种连锁染色体,株连到好基因B也被清除,哑巴治成聋子,总体效果并不见得有多好。基因互换可以保留B。基因互换就是非姐妹同源染色体交换片段产生新连锁的现象,发生在单倍体的配子形成阶段。雌配子、雄配子结合形成合子,合子发育成双倍体的个体。一般来说,DNA复制后,姐妹染色体就会分开向细胞两端聚集,然后细胞从中间一分为二,两个新生细胞各自带有姐妹染色体中的一条,染色体数量仍然为双倍数,与分裂前相同。在配子形成阶段,同源染色体复制后,两对姐妹染色体不分开,而是交会在一起,同时来自父亲的一条染色体与来自母亲的一条染色体互换片段。然后,细胞连续分裂两次产生四个单倍体细胞,染色体数量减半,其中一个或全部发育为配子。染色体互换片段形成新的染色体版本,是染色体水平上的变异,同样是随机的,位置不定。A-B与a'-b互换B、b所在的片段,产生新连锁A-b、a'-B。这样互换后,好基因B就搭上a'的便车而遗传下去。a'-B连锁属于强强联合,排挤其他同源染色体的能力更强。由此可见,基因互换能让好基因的子弹飞,避免被株连清除掉。

核苷酸携带的A、C、G、T四种碱基具有方向性,一侧为3号端,一侧为5号端,类似于左右手,导致DNA单链也有方向性,DNA双链则正反相配,一条单链从3号端向5号端,另一条则是从5号端向3号端。染色体互换片段首先剪断DNA双链,形成3号端和5号端两个断口。其中用来交换的一侧5号端单链在酶的催化下迅速瓦解几千个核苷酸,就像布条脱线一样,留下相同长度的3号端单链进行交换。我的同学、北大教授孔道春带领团队研究发现(见《孔道春实验室突破性揭示 DNA 同源重组的关键机制​》),染色体互换片段时会在3号端断口上合成一段核糖核酸(缩写为RNA),从而保护断口,就像给脱线布条锁边一样。生物进化为了保留好基因也是费尽了心机。

我猜测还有一条使隐性基因显性的途径,与拉马克学说有关。拉马克认为经常使用的器官越来越发达,常用的右手比左手更强壮更灵活一些,反之亦然。这种变化发生在体细胞中,属于后天习得性状。习得性状的遗传称为获得性遗传。经典遗传学研究证明只有发生在生殖细胞中的突变才会遗传,体细胞不参与生殖,其中的突变不会遗传,如前所述。也就是说,经典遗传学不承认获得性遗传。但是,获得性遗传却是客观事实。野生蝾螈通常是黑色的,全身布满黑色斑点,零星间杂一些黄色斑点。把这种黑色蝾螈从小饲养在黄色土壤上,连续四年,到成年时,其黄色斑点数量便会超过黑色斑点。再把它的子一代继续培养在黄色土壤上,经过五年就变成黄色蝾螈,零星间杂黑色斑点。相反,把上述的子一代培养在黑色土壤上,经过五年则变回黑色蝾螈。卡麦列尔试验发现,上述黄色蝾螈和黑色蝾螈的杂交后代会发生分离,与孟德尔豌豆试验中的基因分离结果相似。这一试验证明黄色作为习得性状得到了遗传。米丘林北方杏的培育与蝾螈试验相似。米丘林先从耐寒力强、果实优良的杏树上采取种子,向北三百公里播种培育成大树;再从耐寒力更强而优质的杏树上采种,再向北三百公里播种,获得一株实生苗,成功培育出北方杏。经典遗传学无法解释米丘林的北方杏,因为基因突变频率非常低,只有百万分之一到万分之一,加之突变随机无定向,播种的杏树要通过基因突变提高抗寒能力微乎其微。1942年,沃丁顿试验发现,果蝇胚胎发育阶段受化学刺激或温度变化诱导,翅膀结构发生变化,这种变化会连续多代遗传。沃丁顿因此创造表观遗传学一词来描述这类现象。表观遗传学指在没有基因突变的情况下,DNA和基因功能变化并能遗传的现象。已经发现多种改变基因表观功能的途径,常见的是基因修饰。在卡麦列尔试验中,蝾螈的黄色基因是隐性的,黑色是显性的,但在适应黄色土壤的过程中,可能通过基因修饰导致黄色显性,黑色隐性,同时通过未知途径,促成生殖细胞中也发生了同样的修饰过程,从而得到遗传。米丘林的北方杏品种则可能通过一系列基因修饰增加了树体的抗寒能力。

让坏基因的子弹飞,又让好基因的子弹飞,生物世界才万紫千红,生机勃勃,并将继续进化下去。

达尔文学说出现后,加上孟德尔遗传学说的有力支持,拉马克学说变了隐性的坏学说。但是,在达尔文学说发扬光大的同时,拉马克学说的子弹仍再飞,最后发展为表观遗传学,大大充实改进了生物进化理论的内容。

让子弹飞,生物才能更好地进化,理论才能更好地进步。

2021年4月7日于兰州



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