论文部分内容阅读
在《侏罗纪公园》中，基因学家通过保存在琥珀中的恐龙基因成功复活了恐龙。20世纪90年代，迈克尔·克莱顿的这本小说一经出版，科学家就大叫荒谬!因为DNA这个长长的分子虽然包含了构建一个生物机体所需要的所有必要信息，但是它很容易被破坏，即便在琥珀中也是如此!难道复活恐龙真的只是白日做梦?当然不!因为研究人员最近找到了绕开困难的妙法——通过比较现存物种的基因来破译它们共同祖先的基因码，从而复活这些已经灭绝的物种。
一旦掌握了参与蛋白质合成的基因的碱基序列，这些蛋白质便可以在实验室里人工合成。这个方法的确可行，因为史前生物学家已经成功复活了几亿年前的蛋白质。人们有理由相信，这一新颖的方法将开辟出另一片神奇天地。通过测试这些蛋白质的反应，人们会对史前生物学以及灭绝物种的行为有更多的了解，例如，恐龙在夜晚能看见东西吗?最初的灵长类动物对疾病的敏感程度如何?有蹄类动物是什么时候开始反刍的?最初的生命形态是出现在冰冷的海洋中还是热腾腾的温泉中?通过这些最初的实验，以上问题的答案已初现端倪，人类也首次能够同步研究进化史而不是总尾随其后!有研究人员重新探讨了“到底是先有鸡还是先有蛋”的问题，也就是说活细胞是先有了激素受体，还是先有了促进细胞生长的激素。受体就好似嵌在细胞膜上面的锁，只有当完全适宜的化学分子像钥匙一样插入锁孔，细胞才能够改变其运转状态，比如说产生一个神经信号。俄勒冈州大学生物学家约瑟夫·汤顿，正致力于研究参与肾脏新陈代谢的醛固酮受体，这种受体在青蛙、狗、人和鳐鱼等截然不同的机体中呈现出相似的形态。由此人们推断，醛固酮受体的原始形态在这些物种共同祖先的体内就已经出现。
这是一个有待验证的有趣假设，但约瑟夫·汤顿走得更远。因为他注意到另一个类似于醛固酮的受体，它只存在于陆地动物的体内，这就是参与应激反应的皮质酮受体。虽然这两个受体各自只对适宜自己的激素敏感，它们参与的生理机能也完全不同，但它们的结构却非常相似。难道这两种受体是从同一个远古受体进化而来吗?通过比较当代物种体内这两个受体基因碱基序列之间的不同，人类对于基因突变的历史可能会有新的认识，重寻远古基因密码也将成为可能。
一把钥匙打开一把锁
约瑟夫·汤顿带领的这支研究小组所从事的分子系谱学研究，可以帮助我们回到4.5亿年前。那个时候，所有动物都是水生动物，不能离水半步。鱼类和陆地动物的祖先跟无颌鱼很相似，现在的七腮鳗是仅存的几种无颌鱼中的一种。研究人员将这一水生祖先的基因进行重组，并将其转入实验室培养的细胞中，细胞便可制造出远古蛋白质，鳍类祖先的一小部分便被复活了……奇迹发生了，蛋白质像一个受体那样开始工作，而且无论是对醛固酮还是皮质酮都很敏感。这个实验证明了汤顿的假设：醛固酮和皮质酮受体源于共同的祖先基因。4.5亿年前的远古受体不像现在这两个受体这样各有分工，那个适宜远古受体的激素如今已不复存在。在大约几千万年以后，醛固酮才出现，并找到了它完全适宜的受体。又过了些时间，陆地动物体内醛固酮受体的基因被复制，出现了两种不同功能的受体：醛固酮受体和皮质酮受体。
初龙患有夜视症?
约瑟夫·汤顿研究小组的成功证实了古分子生物学这一全新学科的有效性，它能够让我们获取更多关于远古动物生存方式的信息。而最具说服力的例子莫过于贝琳达·张于2002年在纽约洛克菲勒大学进行的实验。这位年轻的女研究员将眼底视网膜上的视网膜紫质作为研究对象，目的是要找到这一色素在初龙体内的存在方式。初龙是生活在2.4亿年前的恐龙和鸟类的祖先，通过一些化石，人们了解到这种爬行动物的外形和骨骼类似于体形巨大的鳄鱼，但对它们的生活却一无所知。贝琳达·张找到了这个远古色素的“表达”，并对其进行了测试，发现这个色素对弱光也有所反应。因此她认为，初龙应该患有夜视症。“初龙具有夜晚可视的能力，这说明鸟类、爬行动物和哺乳动物的祖先很有可能是在夜间出没，而不是白天，虽然这一观点仍有争议。”这位生物学家总结道。
视觉蛋白质自然成了研究的首选对象。1年后，亚特兰大的一个研究小组发表了脊椎动物紫外线视觉史。某些鸟类(如金丝雀)、几种爬行动物和鱼类(尤其是中国鲤鱼)都能够感受到紫外线。它们是如何获得这种能力的?为什么其他动物，包括我们人类，却没有这种能力呢?是丢失了吗?为了找到答案，美国锡拉丘兹大学生物系的史永胜(音译)和横山着手寻找一种无颌鱼视网膜上易于接收紫外线的视觉色素密码，这种无颌鱼是脊椎动物最年轻的祖先，人类目前还知之甚少。结果他们发现，这种鱼完全可以看到紫外线。那么脊椎动物进化到哪一个阶段时失去了这种能力呢?为了回答这个问题，研究人员在实验室里重组了六种过渡型动物的感光器，它们是两栖类、蜥蜴类、鸟类和哺乳类动物的共同祖先。
最古老的酶!
结果显示，所有这些过渡型动物都拥有看到紫外线的能力，也就是说我们的“缺陷”应该出现在进化过程中相对较晚的阶段。“分子生物学技术就好像一台时光机器，可以让我们在试管中重新创造并观察历史。”贝琳达·张激动地说，“这类研究必然会逐渐增多。”这些研究很可能会颠覆我们目前所有关于远古世界的认知。请看这个例子：从未被重组过的最古老’蛋白质来自佛罗里达大学生化学家史蒂夫·本纳的实验室。本纳复活了已经消失的酶，它是细胞中控制蛋白质产生速度的分子之一。这个古老的酶为现今存在的所有细菌的祖先工作，它是古生命的最初形式之一，已经有10余亿年的历史。这个被重组的分子(被称为延伸分子EF—Tu)在65℃的环境中最为活跃，由此得出的结论是：最初的细菌有可能生长在温泉中。这个之前备受争议的假设，通过这个实验得到了证实!
实际上，这一新学科的成功是在分子系谱学有了重要突破的基础上取得的。分子系谱学借助软件来对比现代基因，试图真实再现进化史。这种办法非常简单，被称为简约法，它将进化的过程看成是简单而直接的。蒙彼利埃大学和法国国家科学研究中心“生物信息学算法和方法”负责人奥利维尔-加斯屈埃尔解释说：“这个软件首先要解决的问题就是将一系进化到另一系过程中必要变化的数量最小化。”但他同时也承认：“进化的过程是反复的，不一定总是朝着最简单的方向。因此，如今大部分专家更偏爱20世纪80年代发展起来的概率模型。这些模型计算能力强大，可以将进化过程中出现倒退的可能性考虑在内，即便这种现象反复出现，也没有问题。”虽然分子系谱学取得了很大进步，但它的应用还是微乎其微，这是因为古生物学家已经习惯于通过化石来研究生物进化，对于分子系谱学仍持怀疑态度。一个很充分的理由便是连古分子生物学家自己也承认的——切重组都只是假设!
生命之起源……
因此，目前没有任何实验可以验证系谱学是否真正找到了远古基因，尤其是这一技术只是求得最近值，研究人员也因此可能会做出臆断。例如，实验中影响基因的变化是有规律出现的，而事实很有可能并不如此。实际上，研究人员会提出几个基因重组的可能，再将它们分成等级，找出可能性最大的那个。然而，进化也许并不总是沿着最有可能的那条道路发展。
尽管如此，全世界这一新学科领域的研究小组，都认为这是目前唯一能够在实验室验证进化论的方法。约瑟夫·汤顿希望借此对生物进化论的准确机理进行更深入的研究，他说：“我们正在研发一个体系来观察基因如何发展新功能。”这一想法是将复活了的远古基因植入酵母中，然后将它们置于各种不同的环境(热、冷、酸、碱等)中，以观察这些遗传基因如何在进化中做出调整来适应不同环境。
通过这种办法，约瑟夫·汤顿希望能为很多问题寻求一个最终答案。例如，进化是否会后退，进化到底是偶然的还是有规律的，对于同一环境，进化可以产生多少种适应情况……最终，分子生物学也许能回答我们最基本的疑问：地球上的生命具有目前的形式是不是必然，其他的“地球”有没有存在的可能……
(张小宁插图)
一旦掌握了参与蛋白质合成的基因的碱基序列，这些蛋白质便可以在实验室里人工合成。这个方法的确可行，因为史前生物学家已经成功复活了几亿年前的蛋白质。人们有理由相信，这一新颖的方法将开辟出另一片神奇天地。通过测试这些蛋白质的反应，人们会对史前生物学以及灭绝物种的行为有更多的了解，例如，恐龙在夜晚能看见东西吗?最初的灵长类动物对疾病的敏感程度如何?有蹄类动物是什么时候开始反刍的?最初的生命形态是出现在冰冷的海洋中还是热腾腾的温泉中?通过这些最初的实验，以上问题的答案已初现端倪，人类也首次能够同步研究进化史而不是总尾随其后!有研究人员重新探讨了“到底是先有鸡还是先有蛋”的问题，也就是说活细胞是先有了激素受体，还是先有了促进细胞生长的激素。受体就好似嵌在细胞膜上面的锁，只有当完全适宜的化学分子像钥匙一样插入锁孔，细胞才能够改变其运转状态，比如说产生一个神经信号。俄勒冈州大学生物学家约瑟夫·汤顿，正致力于研究参与肾脏新陈代谢的醛固酮受体，这种受体在青蛙、狗、人和鳐鱼等截然不同的机体中呈现出相似的形态。由此人们推断，醛固酮受体的原始形态在这些物种共同祖先的体内就已经出现。
这是一个有待验证的有趣假设，但约瑟夫·汤顿走得更远。因为他注意到另一个类似于醛固酮的受体，它只存在于陆地动物的体内，这就是参与应激反应的皮质酮受体。虽然这两个受体各自只对适宜自己的激素敏感，它们参与的生理机能也完全不同，但它们的结构却非常相似。难道这两种受体是从同一个远古受体进化而来吗?通过比较当代物种体内这两个受体基因碱基序列之间的不同，人类对于基因突变的历史可能会有新的认识，重寻远古基因密码也将成为可能。
一把钥匙打开一把锁
约瑟夫·汤顿带领的这支研究小组所从事的分子系谱学研究，可以帮助我们回到4.5亿年前。那个时候，所有动物都是水生动物，不能离水半步。鱼类和陆地动物的祖先跟无颌鱼很相似，现在的七腮鳗是仅存的几种无颌鱼中的一种。研究人员将这一水生祖先的基因进行重组，并将其转入实验室培养的细胞中，细胞便可制造出远古蛋白质，鳍类祖先的一小部分便被复活了……奇迹发生了，蛋白质像一个受体那样开始工作，而且无论是对醛固酮还是皮质酮都很敏感。这个实验证明了汤顿的假设：醛固酮和皮质酮受体源于共同的祖先基因。4.5亿年前的远古受体不像现在这两个受体这样各有分工，那个适宜远古受体的激素如今已不复存在。在大约几千万年以后，醛固酮才出现，并找到了它完全适宜的受体。又过了些时间，陆地动物体内醛固酮受体的基因被复制，出现了两种不同功能的受体：醛固酮受体和皮质酮受体。
初龙患有夜视症?
约瑟夫·汤顿研究小组的成功证实了古分子生物学这一全新学科的有效性，它能够让我们获取更多关于远古动物生存方式的信息。而最具说服力的例子莫过于贝琳达·张于2002年在纽约洛克菲勒大学进行的实验。这位年轻的女研究员将眼底视网膜上的视网膜紫质作为研究对象，目的是要找到这一色素在初龙体内的存在方式。初龙是生活在2.4亿年前的恐龙和鸟类的祖先，通过一些化石，人们了解到这种爬行动物的外形和骨骼类似于体形巨大的鳄鱼，但对它们的生活却一无所知。贝琳达·张找到了这个远古色素的“表达”，并对其进行了测试，发现这个色素对弱光也有所反应。因此她认为，初龙应该患有夜视症。“初龙具有夜晚可视的能力，这说明鸟类、爬行动物和哺乳动物的祖先很有可能是在夜间出没，而不是白天，虽然这一观点仍有争议。”这位生物学家总结道。
视觉蛋白质自然成了研究的首选对象。1年后，亚特兰大的一个研究小组发表了脊椎动物紫外线视觉史。某些鸟类(如金丝雀)、几种爬行动物和鱼类(尤其是中国鲤鱼)都能够感受到紫外线。它们是如何获得这种能力的?为什么其他动物，包括我们人类，却没有这种能力呢?是丢失了吗?为了找到答案，美国锡拉丘兹大学生物系的史永胜(音译)和横山着手寻找一种无颌鱼视网膜上易于接收紫外线的视觉色素密码，这种无颌鱼是脊椎动物最年轻的祖先，人类目前还知之甚少。结果他们发现，这种鱼完全可以看到紫外线。那么脊椎动物进化到哪一个阶段时失去了这种能力呢?为了回答这个问题，研究人员在实验室里重组了六种过渡型动物的感光器，它们是两栖类、蜥蜴类、鸟类和哺乳类动物的共同祖先。
最古老的酶!
结果显示，所有这些过渡型动物都拥有看到紫外线的能力，也就是说我们的“缺陷”应该出现在进化过程中相对较晚的阶段。“分子生物学技术就好像一台时光机器，可以让我们在试管中重新创造并观察历史。”贝琳达·张激动地说，“这类研究必然会逐渐增多。”这些研究很可能会颠覆我们目前所有关于远古世界的认知。请看这个例子：从未被重组过的最古老’蛋白质来自佛罗里达大学生化学家史蒂夫·本纳的实验室。本纳复活了已经消失的酶，它是细胞中控制蛋白质产生速度的分子之一。这个古老的酶为现今存在的所有细菌的祖先工作，它是古生命的最初形式之一，已经有10余亿年的历史。这个被重组的分子(被称为延伸分子EF—Tu)在65℃的环境中最为活跃，由此得出的结论是：最初的细菌有可能生长在温泉中。这个之前备受争议的假设，通过这个实验得到了证实!
实际上，这一新学科的成功是在分子系谱学有了重要突破的基础上取得的。分子系谱学借助软件来对比现代基因，试图真实再现进化史。这种办法非常简单，被称为简约法，它将进化的过程看成是简单而直接的。蒙彼利埃大学和法国国家科学研究中心“生物信息学算法和方法”负责人奥利维尔-加斯屈埃尔解释说：“这个软件首先要解决的问题就是将一系进化到另一系过程中必要变化的数量最小化。”但他同时也承认：“进化的过程是反复的，不一定总是朝着最简单的方向。因此，如今大部分专家更偏爱20世纪80年代发展起来的概率模型。这些模型计算能力强大，可以将进化过程中出现倒退的可能性考虑在内，即便这种现象反复出现，也没有问题。”虽然分子系谱学取得了很大进步，但它的应用还是微乎其微，这是因为古生物学家已经习惯于通过化石来研究生物进化，对于分子系谱学仍持怀疑态度。一个很充分的理由便是连古分子生物学家自己也承认的——切重组都只是假设!
生命之起源……
因此，目前没有任何实验可以验证系谱学是否真正找到了远古基因，尤其是这一技术只是求得最近值，研究人员也因此可能会做出臆断。例如，实验中影响基因的变化是有规律出现的，而事实很有可能并不如此。实际上，研究人员会提出几个基因重组的可能，再将它们分成等级，找出可能性最大的那个。然而，进化也许并不总是沿着最有可能的那条道路发展。
尽管如此，全世界这一新学科领域的研究小组，都认为这是目前唯一能够在实验室验证进化论的方法。约瑟夫·汤顿希望借此对生物进化论的准确机理进行更深入的研究，他说：“我们正在研发一个体系来观察基因如何发展新功能。”这一想法是将复活了的远古基因植入酵母中，然后将它们置于各种不同的环境(热、冷、酸、碱等)中，以观察这些遗传基因如何在进化中做出调整来适应不同环境。
通过这种办法，约瑟夫·汤顿希望能为很多问题寻求一个最终答案。例如，进化是否会后退，进化到底是偶然的还是有规律的，对于同一环境，进化可以产生多少种适应情况……最终，分子生物学也许能回答我们最基本的疑问：地球上的生命具有目前的形式是不是必然，其他的“地球”有没有存在的可能……
(张小宁插图)