進化趨勢不可逆

《新發現》   (2010-03-08 15:17:16)
  
達爾文的進化論可以解釋現代生物因何多姿多彩。與此同時，一些科學家也琢磨著這一進程是否會逆轉，動物們能否找回昔日所遺棄的特徵。19世紀的古生物學家認為不可能，然而他們也沒有可靠的證據。證據直到今天才終於浮出水面。



    150年前，達爾文經過多年潛心思考，發表了著名的進化論，震撼了整個科學界，生命的歷史從此改寫。達爾文首次用大量例證表明，各個物種都在適應環境的過程中不斷進化著，並且他還歸納了進化方式：物競天擇。不過他沒有告訴我們，在進化過程中，物種是否會重新找回已經失去的特徵……達爾文是嚴格按照歷史順序來闡述其理論的，從見證遠古物種的化石，直到生存在當下的物種。但是，只要稍稍留意就能發現問題。包括人類在內的哺乳動物的共同祖先，最早是從水裡上岸后成為陸生動物的。而我們知道，其中的一些，如鯨類，就重新返回了水中。難道進化還能「兜圈子」，就像錄影帶可以倒回去重放？

    1893年，比利時古生物學家路易·多洛(Louis Dollo)的回答是「不能」。他認為在進化的某一分枝中消失的器官不會再以相同的形態出現。這一觀點是他在對恐龍和脊椎動物化石進行了10多年研究后提出的，被稱為「多洛定律」或「進化的不可逆法則」。可是往往看上去越是明白的事情求證起來就越麻煩，如何證明進化是單向的？一個多世紀以來，隨著進化論的不斷發展，生物學家與遺傳學家無不試圖攻克這一難關，卻始終未能如願。

    個別學者，如史蒂芬·傑·古德(Stephen Jay Gould)，為多洛定律提供了有利證據。他們發現，鯨類其實是滿足進化的不可逆法則的。19世紀的博物學家們就已經知道鯨類的鰭和它們的遠親魚類完全不一樣。鯨的祖先作為最早的四足動物之一，在離開海洋時，並沒有將它們的鰭妥善保存下來以備日後重派用場……不錯，一旦走上陸地，它們就適應了新的環境，而後又重新適應了水環境，但以一種全新的方式——保留了肺而不是找回鰓。



徒有其表

    相反，其他例子就比較模稜兩可了。2003年，多洛定律最嚴重的危機之一終於爆發。美國生物學家邁克爾·懷廷(Michael Whiting)注意到，竹節蟲在其進化史中曾多次失去又找回了翅膀！而與鯨類不同，它們的生活環境並沒有改變，無法為這種看似進化中的「搖擺」現象提供解釋。邁克爾·懷廷由此認為，這些昆蟲可能在幾百萬年的漫長歲月中保留了長翅膀的官能。

    然而，發生在竹節蟲身上的奇特現象卻也證明不了什麼，因為對於其幕後機制我們一無所知。在生物學研究中，羅列正反案例毫無用處，它們只是深層過程的外在表達而已，沒有任何理論意義。若要弄清其中原委，就要更進一步，深入生命的核心，拷問那個令達爾文徒勞地尋找終生的最後一環：基因組。蜷縮在細胞中的DNA是唯一展現進化狀態的生命物質。它就像一部鴻篇巨製，用僅以4個「字母」(鹼基)組成的「單詞」，記錄著我們的遺傳信息，這些內容在很大程度上決定了人類成為今天這樣的生物。換一個「字母」就會改變「單詞」，就有可能使其所在的「句子」失去原有的含義，或是獲得新的含義。在語言中，我們把這稱作「文字錯誤」，在遺傳學上，則叫做變異——這是進化最有力的武器，現代生物種類的多樣性就來源於此。而尋找DNA的「文字錯誤」正是生物學家最主要的工作之一，隨後他們就會把這些變異與生物體可觀察的軀體變化一一聯繫起來。

    他們尤其鍾情以果蠅為對象進行這項工作，一方面因為對它們十分了解，另一方面因為這種小蒼蠅繁殖速度超快。幾年來，亨瑞克·特奧托尼奧(Henrique Teotonio)的小組一直關注著多洛定律在這個實驗室明星動物身上的表現。他們將一組果蠅置於多種生存環境中(改變食物豐盛程度、溫度、光照和濕度)世代繁殖，以使自然選擇發揮作用，從而對與繁殖和耐飢餓能力有關的新陳代謝變化進行研究。結束這第一階段后，研究人員又將果蠅放回原始環境中生活了50代，以使它們「逆向進化」。這次則對它們的基因組，尤其是3號染色體上的基因，進行了仔細的排查。結論很明確。表面上，果蠅找回了它們祖先的體征，然而對基因的研究卻揭示了多處不同，同一基因出現了許多變體(等位基因)，若干鹼基被取代。這說明進化依然在不斷向前，而沒有倒退。



回到從前

    該研究於2009年初發表，它明確指出在基因層面，進化過程完全不像人們肉眼所見，沒有所謂的倒退，「進化」這個詞當之無愧。這為多洛定律的論證開了個頭，但還有一個大大的問號——為什麼？

    在科學研究中很少見的是，這問題沒拖多久，到了9月份就有了答案。一切都拜機緣所賜，美國生物學家約瑟夫·桑頓(Joseph Thornton)可說是無心插柳。其實，他研究的並不是單一物種整個基因組內產生的變異，而是進化過程中某個共有基因在多種生物體內發生的變異。換句話說，他找的不是某一組果蠅基因組內的「文字錯誤」，而是在多個物種——魚類、人類、鼠類等身上，尋找某個特定「單詞」的不同寫法。這是分子生物學的經典手法：通過對比，「回溯」至某一基因可能的最初形態。約瑟夫·桑頓當時關注的是編碼糖皮質激素受體(GR)的基因。該受體使脊椎動物得以固定皮質激素，從而減緩緊張。因為正如一本書中出現的文字錯誤會在其再版時繼續出現，發生基因變異的生物體會將這一變異傳給下一代。例如，只出現在靈長動物身上的變異定然源自它們的共同祖先。而了解各大類動物分化時間的進化生物學家們便可據此為基因變異斷代。通過這一方法，約瑟夫·桑頓「再現了4.4億年中歷代GR基因的形態，並採用分子操作技術還原它們的進化軌跡」，推斷出它們的功能。



困於現在

    好戲還在後頭。約瑟夫·桑頓還使用了另一項同樣為生物學家所青睞的技術：收集目標基因編碼的蛋白，並通過結晶學方法和X光確定其空間形態。他率領研究小組重建了GR的現代版和始祖版，並比較了兩者的結構。他們首先發現，4.4億年前的GR能識別很多荷爾蒙，皮質激素還算不上它的摯愛。其次，從始祖版GR直到出現於4000萬年後的現代GR，該蛋白一共發生了37次變異，而只有7次才真正導致了變化，其餘30次對該蛋白的功能沒有產生任何明顯影響。為了弄清新老GR的轉化過程，研究人員決定以新GR為母本，再造始祖版的GR。於是他們取來現代GR基因，然後「除去」那7處產生了作用的變異……

    結果令人目瞪口呆：經如此改造的GR基因未能合成功能健全的始祖蛋白。「我們造出的是一個百無一用的死蛋白。」約瑟夫·桑頓講述道。怎麼會這樣？或許在餘下的、因對蛋白功能沒有影響而被排除的30次變異中，某些還是起到一定作用的，「就像分子『閥門』，阻止蛋白恢復之前的形態」——專家如是推測。但這種初看「無效」的變異是如何做到這一點的呢？

    研究人員比較了重建的始祖蛋白和真正的始祖蛋白，發現了5個結構差異(分子排列)，它們是由30次變異中的5次決定的……這一出乎意料的發現說明，某些看來「中性」的變異的確從物理上阻止了蛋白恢復原始形態。為了更好的理解這一作用方式，約瑟夫·桑頓建議把基因(或其編碼的蛋白)想象成一間改變了布局的卧室：床和衣櫃被挪開，在它們原先所處的位置放了一盆植物和一盞燈。卧室還是卧室，但不移走添置的物件就無法使其恢復原樣。對於GR也是同樣道理，光處理重大變異而不顧小的一樣回不到原始狀態。

    於是我們便涉及了這一機制的要點所在：出現的「中性」變異之所以能被保留，是因為它們沒有影響到蛋白的功能。既然「無效」，自然選擇就無從發揮，只當它們不存在，既不會改變它們，同樣也無法使蛋白恢復原來形態!  要讓基因回到初始形態並編碼始祖蛋白，除非出現天大的巧合，發生一連串變異，恰好恢復基因的原始面貌——而從統計學角度看，這種概率是零。換句話說，在進化中，蛋白髮生其他變化的可能性比回到從前沒有留下任何痕迹的老樣子的可能性大得多。把一個蛋白40次放在同一環境里，它就會創造40種適應方式。一方面因為其編碼基因內散布的中性變異為它提供了極強的適應能力，另一方面，正如約瑟夫·桑頓證實的那樣，一些影響結構的變異阻止了蛋白的逆向發展。始終疲於應對當下環境的蛋白，受自然選擇驅策，沒有回頭路可走。路易·多洛可以安息了，進化不可逆定律終於得到了證明


(新浪博客)

進化是自然規律. 當然勢不可逆.