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地球生命在几十亿演化的历程里，经历了怎样的坎坷与血泪？经历了多少次命运的转折？今天，生命所有的成功与失败都经由人类基因组计划一一展现世人面前。 我们体内30亿年前的遗迹 GTGCCAGCAGCCGCGGTAATTCCAGCTCCAATAGCGTATATTAAAGTTGCTGCAGTTAAAAAG，这个DNA序列看起来像一堆乱码，但却非同一般，它存在于地球上所有的生命体内。无论你在哪里发现生命，海底滚烫的热泉的生命也好，天上云层中的冷细菌也罢，你都能无一例外地觅见它的踪影。甚至，你还可以在一些严格来说并不算有生命的生物体，例如巨型病毒上，发现它。 这个序列之所以如此普遍，是因为它是地球所有生命的共同祖先，而且在生命体中发挥着关键作用，所以自出现以来，几乎没什么变化。换句话说，你身体里的一些DNA由来久远，不可思议地拥有将近30亿年的历史，辗转了几十亿手才传到你这里。 除了这些超级古老的DNA，你的DNA中还有一些是全新的。每个人身体里大约有100左右个基因突变是他们的父母所没有的：或者是序列中一两个字母不一样，或者是少了或者多了一块DNA序列。 通过对照基因组，科学家可以告诉你哪些DNA是新的、哪些是古老的。例如，将你的基因同与你的兄弟姐妹作比较，便可以发现新的基因突变；而对照人和动物的基因组则可以找到一些年头较久的基因。 因此，基因组不只是制造生命的秘方，它还是鲜活的历史写照。并且，因为我们的基因组十分庞大——由60多亿个DNA代码组成——所以它将我们过去的这一切记录得非常详细。它们使我们能够追溯生命诞生以来的所有进化过程，从原始生命直至现在的我们。 通过DNA代码揭示的秘密，科学家们开始发现，生命的祖先不仅进行着没有止境的生存战争，那里还有壮丽的“基因战”，战斗改变了我们基因的运作方式，最终造就了今日的我们。 生命的共同祖先 生命最早起源于RNA。这个“多才多艺”的分子不仅能存储信息，还有催化作用，可以加快反应进行，这意味着一些RNA已经能够自我催化进行复制。而只要一个RNA分子开始自我复制，基因组就会应运而生。这样，首个基因组诞生了。 RNA的缺点是它的不稳定，因此，DNA出现以后，生命就选择了在与RNA稍有不同的、不太容易分裂的另一个“骨干”——DNA上储存信息。蛋白质选择把RNA当作催化剂，让它在各反应间充分发挥穿针引线的作用。DNA上记录了制造蛋白质的方法，并将这些“秘诀”转录到RNA上，然后再传送到“蛋白质制造机”中。RNA－DNA－蛋白质，共同创造了生命。 大约35亿年前，某个生物体就已经有制造RNA和蛋白质功能的基因组——这是所有生命的最早的共同祖先，它总共包含1000多个基因。科学家认为，如今所有生命体内至少有100个基因都可以追溯到这个源头上来，这其中就有本文开头提到的那一行无所不在的DNA序列。 这个共同祖先有很多现今生命所具有的核心功能，包括制造蛋白质。不过，它的这些功能可能和我们今天所知道的完全两样。一些研究者认为，我们的共同祖先并不是一个被膜包裹的独立细胞，而是生活在海底热泉碱性小孔内的、由诸多个类似病毒单元组成的混合体。 逐渐的，共同祖先的病毒混合体进化出以甲烷为食的古细菌，很多亿年之后，这个古细菌的分支又分别进化成可以光合作用的蓝细菌和以氧为食的需氧菌。接下来，大约20亿年前，需氧菌偶然钻进了一种巨大的具有吞噬能力的古细菌体内，并与之建立起了一种互惠的共生关系。经过一代又一代，需氧菌逐渐演化成了线粒体，成为在细胞内部提供能量的“能量工厂”，把细胞从能量束缚中解脱出来了。从此，一种新的生命形式诞生了，这就是真核生物。真核生物的出现改变了基因组，为首个动物的演化铺平了道路。 我们往往认为简单生物体向复杂生命体转化是很自然的事情，但事实上，如果没有远古两种祖先细菌的联盟，复杂的生命可能永远也不会出现。因为如果它们不联手，将永远无法跨越能量上的障碍。 除此之外，线粒体的祖先还为我们贡献了大量基因。原始需氧菌大概含有3000个左右的基因，不过随着时间的推移，大部分基因不是遗失了，就是被转移到主要的基因组中了，留到现在的线粒体中的基因只有一小部分。 联合后的风险与挑战 需氧菌与古细菌的结盟，尽管使生命明显受益了，可也伴随着危险。特别是，古老的线粒体中含有来自寄生细菌的DNA的碎片，还有转位子，这种基因除了不断复制自身啥活也不能干。在寄主的细胞里，它们不停地复制自己，然后从寄主基因的一处搬迁到另一处，有时候它们还会嵌入基因组中，使序列里出现很多毫不相关的大块没有什么功能DNA区域——内含子，就好似在蛋糕的配方中硬塞进去了毫无意义的汤料配方一样。 可以想象，生命起源早期的DNA序列都是由简洁、几乎没有冗余非编码DNA的小基因的聚合体存在，这是原始简单生物适应环境必然具备的特性。现在存在的原核生物、线粒体和叶绿体，基本保持这样的特性。可是在真核生物细胞里，当转位子四处游荡、随意插入基因组时，基因组里面就不可避免地堆积了很多毫无用处的内含子。 这些没有用处的内含子无聊之极就喜欢玩突变。早期真核生物面临着的一个严重问题就是：内含子变异得越来越厉害，严重扰乱了基因组功能，最终会导致基因无法正常表达而失活。为了应对这种局面，这些早期的真核生物演化出了特殊结构，叫做剪接体，它可以将RNA转录基因中的内含子切掉。 但剪接是一种盲目的解决方案，它剪切掉的是RNA转录基因中的，并没有把最初DNA上的内含子除掉，因此这种方法效率极其低下。不仅如此，剪接速度还非常慢：许多RNA的内含子还没来得及被剪接，就已经抵达蛋白质制造工厂了，导致了大量变异蛋白质的生成。 为了解决这个问题，真核生物在线粒体周围进化出细胞核，细胞核将“蛋白质工厂”隔离在外，只允许被剪接过的RNA出入，以防止造出无用的蛋白质浪费能量。 虽然我们的远古祖先一步步进化出了复杂的机制来对付内含子的扩散，可仍然没有处理掉所有问题。直到现在，我们的每个基因还包含8个左右毫无用处的内含子。 幸运的是，从长远来看，额外增加的复杂性还给真核生物增加了许多新的进化机会。细胞核的形成，使细胞内部机制更加复杂，真核细胞能够完善自身的防御机制、抵挡各种变异DNA和病毒的入侵了。所有这些新的特征导致了一场进化大爆发。真核生物蓬勃发展起来，进入了演化的快车道。 错误促进演化 好了，现在我们可以进入下一个大的演化阶段：大约8亿年前，真核细胞已经在各种条件的帮助下形成了多细胞，并演化出了体积更大的复杂生物体，例如真菌、海藻，直至各种动植物。 其中一个演化原因是因为它们有了更多的基因，这可以为实现更多功能做准备，比如细胞合并、相互间进行信息交流。更重要的是，基因模块化的这个特性加快了演化进程。例如，将细胞组合在一起的蛋白质，它由两部分组成，一部分在细胞膜间、一部分在膜外。有了基因模块，所有不同种类的膜外部分蛋白质都可以整合起来与跨在膜间的部分粘连在一起，使蛋白质发挥了更多、更复杂的功能。 另外，真核生物更先进的控制基因的机制还可以让细胞功能更加专一。通过控制不同基因的开与关，能让不同类的细胞发挥各种各样的作用。这样一来，生物体便可以开始演化出不同的组织，从而开始了从简单的早期动物到更复杂动物的转化。 接下来的伟大飞跃是两个“基因事故”引发的。在脊椎动物的祖先身上，复制出错了两次——非常偶然地，整个基因组竟然先后被两次复制了，这是极为罕见的，因为基因组复制产生了大量的冗余基因。 这些冗余基因看似毫无意义，后来有很多都丢失了，但仍有一部分保留下来，并被细胞充分利用，担任了重要的新角色，比如变成了控制基因，它们能够在身体发育阶段控制身体的成长。一般认为，这些基因对内部骨架的演化具有关键作用。 性的益处 在生命演化的很长一段时间里，简单细胞都在没有性的参与下交换基因。单性繁殖按几何级数增长，快速便当，但缺少变异机制。有性生殖实现了基因在同种不同个体之间的流动。两性交换基因生产下一代，就是个基因重组的过程。重组解决了一个根本问题：它能像串珠子一样，可以拆散原先的项链，重新将基因串联到一起。 想象一下，如果你有条精美的珍珠项链，里面偶然被掺入了一颗不好的珠子。倘若你不能把这颗珠子换掉，那么你就必然得放弃整条项链，否则你就只能一直戴条有瑕疵的项链。同样，如果一个有益的突变挨着一个不利的突变，那只有两个处理方法：要么把两者都舍弃，要么不得不留下有害突变，让缺陷继续拖着有益突变的后腿。 重组给你提供了交换珍珠的机会。正如你既可以造出一个完美的珍珠项链，又可以造出有缺陷的项链一样，通过重组，你的一些后代淘汰了有缺陷的基因，获得了完美的优秀基因，他们将健康成长；另一些后代可能会继承有缺陷的基因，这些“倒霉”的个体很可能会消亡。 基因系统的这一创新，大大增加了物种的变异，提高了适应环境变化的能力，而且变异的增加还加快了生物演化速率，促进了物种与生态的多样性，世间万物才变得如此丰富多姿多彩。 然而，就生物个体而言，两性繁殖并没有什么好处，它不能把自己的遗传物质不变地传递给后代。有性生殖为保证受精和胚胎的发育，还需要进化出一系列器官、进行一系列生理过程，相当麻烦。而且在自然界，雌雄为了彼此能够识别对方和争夺生殖权便长出特殊的结构，如雄性动物长出坚利的牙齿；雄性鸟儿长出漂亮的羽毛等等。从个体利益看，有性繁殖并没有什么优势，但作为群体遗传，有性繁殖的意义就很明显了。 我们是胜利者的后代 在整个地球的生存竞争中，可以说脊椎动物是非常成功的，它们征服了海洋，霸占了陆地，逃进森林，最终进化出了最具智慧的灵长类——用两条走路的人。 什么使我们与其他猿类差别这么大？其中有个非常明显的区别：人类的染色体是23对，而我们猿类祖先的染色体是24对。 从本质上来讲，染色体是“打包”的基因集合，所以，只要染色体内拥有必需的基因，那么无论它们合并或是分裂、少几个或是多几个应该都没多大区别。不过事实并非如此，染色体在演化过程中发生的一系列微小变化逐渐改变了我们的大脑和身体。目前为止，科学家已经确定了其中几个关键的突变，但这只是刚开始，突变可能多至成千上万。 演化史上许多重要的事件，都是突变导致的。比如生物体中有一类专门调控生物形体的基因，一旦这些基因发生突变，就会使身体的一部分变形。事实上，人类进化之初，由于某个基因的突变，人类的肌肉不如其祖先猿类那样发达。 此外，在生命演化史上，病毒和寄生菌发挥了巨大的作用。它们入侵我们的细胞，企图破坏、排挤乃至替代我们的基因，让我们在进化路上付出了巨大的代价。但正因为有它们的存在，我们的基因组才在对抗它们的过程中逐渐强大起来。 在进化的道路上，充满坎坷还有无数次惨烈的失败，不计其数的动物都因“基因之战”死于非命。生活到现在的我们都是中了彩票大奖的后代，奖品就是他们的后代可以活得更久。如果说历史是由胜利者书写的，那么，我们的基因组就是胜利的痕迹，是那些被成功造就、顽强活了下来的勇敢祖先的书写而成的历史。 实际上，我们的基因组远不是个完美的成品。相反，它是各种巧合下的遗传碎片和古老寄生体遗留物的拼接品，它是没有控制者的疯狂实验的产物，时不时会出现致命的错误。这个过程到今天仍在继续——或许去任何一家医院，你都能找到因遗传性疾病而死亡的儿童。不过，目前由于有了诸如胚胎筛选的方法，科学家已经开始对人类基因组的进化实施控制。一个能够控制基因遗传的新时代即将来临。 |
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