達爾文的“痛風”及演化論的最新修正


一、蕭伯納又醜又蠢的孩子

愛爾蘭劇作家蕭伯納有這樣一個經典幽默廣爲流傳,說是美國舞蹈家鄧肯仰慕其才華,寫信告訴他:“假如我們兩個結婚生子,孩子擁有你的智慧和我的美貌,那該多好!”蕭伯納回信說,“要是生的孩子相貌像我,智慧如你,豈不糟糕!”

蕭伯納的故事道出了演化論的三大基礎:遺傳、變異和自然選擇。遺傳指的就是後代能夠繼承父母的特徵,如美貌、智慧,誠如鄧肯所期望;而變異指的是後代有可能和父母不同,如蕭伯納的擔心;而自然選擇可能更加傾向於讓擁有智慧與美貌並存的後代繁衍生息,而讓醜陋與愚蠢的斷絕後代(也有可能相反)。

達爾文在1859年出版的《物種起源》中闡述了物種演變的自然選擇原理,而對於遺傳變異則知之甚少。直到人們重新發現了與達爾文同時期的孟德爾,所闡述的遺傳定律,人們纔開始將這兩個理論融合起來,形成了當今主流的“現代綜合理論”。

從1950年代初DNA雙螺旋結構的發現,到2000年初“人類基因組計劃”完成,50年的時間裏,生物學已經讓我們對於基因有了深入的瞭解,部分地知道了哪些基因(組)控制着智商、美貌以及身高、遺傳病等等。由此誕生的分子遺傳學,讓我們更多地瞭解到了演化論中的遺傳如何進行。

我們的外貌與智慧,遺傳病與長壽,基因肯定是一方面,但有的基因並不表達出來。正如你去做一份個人DNA測序,結果可能是這麼寫的:根據測序,你有13%的概率患上乳腺癌。這樣的測序的結果並不能告訴你任何有意義的事情。率先完成人類基因組測序、又製造過第一個人工細胞的克雷格·文特爾就這樣說過:

我們從基因組當中只能得出遺傳疾病發生的可能性而已。在臨牀醫學中,如果告訴你罹患某種遺傳病的可能性是1%或3%又有什麼意義呢?這些信息一文不值。

——轉引自安德烈亞斯·瓦格納《適者降臨》

二、你美麗的基因可能沒有表達出來

我們知道,基因決定我們的某種性狀,如美貌,這稱之爲基因型,而就是同樣的基因卻最終讓我們每個人都如此不同,外觀差異很大,這個叫做表現型。現代綜合理論可以解釋,一種新的性狀(如漂亮),如何在羣體中傳播開來(因爲人人都愛美),卻沒有解釋爲何出現(漂亮是怎麼生出來的)。

變異從何而來?蕭伯納超出普通人的聰慧從何而來?鄧肯的美貌又是怎麼出現的?

話說,從基因到基因的表達,並非是一對一的關係。有些單個基因的變異很明顯,例如決定了我們會說話的FOX2基因,導致了亨廷頓舞蹈症的四號染色體上的Huntington基因。但像是決定身高、樣貌和智商的,是受多個基因的微小效應所影響(見《行爲遺傳學的十大可重複研究》第3條)。

例如,一個雙胞胎,基因組幾乎相同,然而一個嬰兒得了急性白血病,另一個卻健康活潑,爲何有這種差異,這是研究基因型的遺傳學所不能解釋的。因此,一門叫做“表觀遺傳學”的領域興起,研究的內容就是同樣的基因如何最終表達成了不同的結果。

如果蕭伯納和鄧肯生了一對雙胞胎,可能的結果並非是美貌與智慧並存的一對,也不是醜陋與愚蠢的傻孩子,更可能是一對資質平庸、相貌平平的孩子。

決定基因最終表現的並非僅僅是基因,而是蛋白的修飾、調節因子等等一系列機制,絕不僅僅是基因那麼簡單。

三、達爾文的痛風

1968年,日本遺傳學家木村資生,提出來一種“中性理論”學說,研究發現,基因突變很多時候是中性的,對於個體的繁殖和生存來說,不好也不壞,比如你耳垂的大小對於你生活和擇偶來說,並不會造成什麼影響。

既然是中性,就不會受到自然選擇的影響,這種中性的突變僅僅是基因的遺傳漂變產生的。也就是說每隔一段時間,我們的基因中就會有少量的基因出現了變異,這種變異時間間隔又比較穩定,所以就成爲了測量生物演化的“分子鐘”。

中性理論一度被認爲是達爾文自然選擇論的競爭對手,至少在分子演化層面如此。著名的古生物學家史蒂芬·傑伊·古爾德就認爲,中性突變極大地削弱了自然選擇在演化和新性狀形成中的作用。依此,他纔會極力反對很多演化心理學家(和社會生物學家)把什麼都當作是適應的產物的觀點,或許只不過不小心留下的“拱肩”

就這樣,演化論如同晚年得了痛風的達爾文,好的那隻腳是現代綜合理論,而變異和表型基因是其痛風的那隻腳,讓他和他的理論一跛一拐地走入了21世紀。

現代綜合理論主要關注羣體遺傳學,對於個體如何發育關注甚少。就是一個受精卵最終發育成一個個體,而不是一堆肉泥,是如何調控的?細胞如何知道什麼時候變成腿,什麼時候變成胳膊,先長腦袋還是先長內臟?

原本坐在生物學殿堂後排的胚胎學家,終於在20世紀後期,擠入到了前排,並開始作爲一門“進化發生學”的學科登堂入室,走到了聚光燈下。

然而,胚胎學家手中有着很多的生物表現型研究,卻沒有可以和現代綜合論相匹配的武器能夠拿的出手,能把零散的實施搭建成一座大廈。這時候,計算機科學和數學也一共涌入到了這個領域裏,治好達爾文的“痛風”,也漸漸有了“藥方”。

四、處方里的君臣佐使

蘇黎世大學進化生物學教授安德烈亞斯·瓦格納的新作《適者降臨》,便是這樣的一劑“藥方”,其開出的處方中的君臣佐使分別是:自組織性、標準化、組合網絡和堅韌性。下面我們來詳細瞭解一下這個配方。

1、自組織性

自主性簡直是常態,宇宙生成、地球誕生不消說沒有任何神靈的干預,通過物理化學定律,恆星便可以出現,地球會俘獲月球作爲衛星。

生命也可以自組織誕生。以組成所有生命體的細胞膜爲例,這種膜是由一種具有兩親性的脂質分子構成,一端親水,一端親脂。你如果把一些這種兩親性的脂質分子放到水中,親水的那頭就會向外與水接壤,而另一頭則遠離水的雙層結構,便會自動形成一個氣泡一樣的形狀。

這種自組織性無處不在,只需要通過簡單的化學合成。生命體內的各種新陳代謝過程,就是一個自組織系統,大概不需要你的大腦來命令,你只需要吃進去食物,腸道內的大腸桿菌就可以利用,把他們分解成你可以吸收的各種養料。大腸桿菌能夠自我建構、自我增值,還能夠自我修復,比你心愛的汽車要好得多。

2、標準化

如果全世界都使用一種插座,你在出國旅行的時候就不會因爲忘記帶了轉換插頭而煩惱了。標準化的好處就是讓你可以有更多的選擇餘地。

地球上的所有生物都使用同一型號的“電池”:三磷酸腺苷(APT)。這是所有生物的標準能源物質。這僅僅是一個例子,所有生物還都使用同一種密碼系統,就是我們熟知的四個鹼基AGTC,而每三個核苷酸分子對應一個氨基酸。這就是讓地球上能夠出現如此多的生物,所擁有的標準化“設計”。

3、組合網絡

假如你有間汽車製造廠,只有一種零件的標準化還不夠,你得擁有豐富的儲備庫。比如你需要從幾毫米到幾米大的各式各樣的齒輪,你還得有從小到大不同的輪胎以及其他零部件,才能組裝一部汽車。你的客戶還想要不同顏色,你需要準備三原色,根據配色表和客戶的喜好進行裝配。

生命的網絡也是如此,基因有數不清的組合方式。正如你可以把各種不同輪胎大小、發動機馬力、顏色和組織方式進行隨意搭配,就有無數種可能性,組合結果常常成指數級增長。例如你要在網絡上做一個咖啡的產品組合,那麼需要考慮到咖啡加奶還是豆汁,奶是常溫還是熱的,加不加糖,糖是白糖、紅糖還是糖精,簡單的幾項就有上百種產品生成。

自生命誕生以來,就是基於上述自組織性和標準化之下,進行嘗試組合,也正是因爲有這樣多種可能性,纔會有生命的豐富多彩。

4、堅韌性

當你有了這樣一個能夠自動化運轉,儲備完備標準零件的工廠時,按道理說你就可以加工生產任何東西了,但這樣還不行。你得根據市場行情來隨時調整生產戰略。

例如紅色甲殼蟲汽車的組合目前在市場上大受歡迎,那麼你就會多出產這樣的車型,而淘汰掉其他可能的嘗試。大衆也不是一下子就能夠接受你新穎的概念性設計,你得在現有成功車型的基礎上,嘗試組合優化,進行創新。

比如你可以改良內在的發動機,而對於車輛外觀卻不做什麼改變,因爲市場接受這樣的造型。生物體也會如此,基因型發生變化而表現型卻不一定隨之變化,這就是發育穩態,或者叫做堅韌性。

上述四者之間的關係,用瓦格納在《適者降臨》一書中的總結如下(以下括號內爲筆者所加):

多變的環境催生了生物的複雜性,而複雜性促成了發育穩態(即4堅韌性),發育穩態繼而造就了基因型網絡(即3組合網絡),而基因型網絡的存在讓進化成爲可能,使得生物能夠通過演變適應環境的變化、提高自身的複雜性(依賴於2標準化),循環往復,生物進化通過這種方式螺旋上升。這種進化方式的核心在於處在多維空間的基因型網絡的自組織性(即1自組織性)。自組織性是生命絢爛光彩背後的支持者,它是隱藏的生命建築師。

總結

瓦格納這副藥方之所以能夠治療達爾文的“痛風”,是因爲:

其一、解釋了突變是在一個可以選擇的基因組合網路里,隨着環境的變化,慢慢凸顯出來的。也正是龐大可能的變異網絡存在,讓許多基因突變看起來是中性的,實則在自然環境變化的情況下,凸顯出優勢來,從而解決了中性理論的難題。

其二、從化學和分子生物學層面,解釋了基因的表觀如何發生作用,因此也融合了表觀遺傳學,從而讓達爾文的理論不再跛腳。

最後,還可以回答蕭伯納與鄧肯的問題,他們的子女可能是以下多種可能組合:

A.繼承了蕭伯納的聰明和鄧肯的美貌

B.繼承了蕭伯納的聰明和蕭伯納的醜陋

C.繼承了蕭伯納的醜陋和鄧肯的美貌

D.繼承了鄧肯的美貌和鄧肯的愚蠢

E.其他(繼承了蕭伯納x%的智慧和鄧肯y%的智慧,和蕭伯納α%的外貌和鄧肯β%的外貌)

不試一試,你怎麼能知道呢?蕭先生!

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