This is 环球科学杂志社's Tencent Weibo homepage. Follow now!

环球科学杂志社 收听

《环球科学》杂志官方微博。《环球科学》是《...

达尔文的进化论过时了,这个人想建立进化论的大统一理论

2017-01-11

xiumi.us">
xiumi.us">

我们都熟悉达尔文的进化论,即自然选择推动进化。然而,随着科学的进一步发展,达尔文理论也显示出了一些不足之处。如何补充它呢?这可能需要早就“退出历史舞台”的拉马克“用进废退”理论的帮助。


撰文 迈克尔·斯金纳(Michael Skinner)

翻译 张雪

审校&注释&导读 叶宣伽


xiumi.us">
xiumi.us">

导读:


大家都学过达尔文的进化论——基因突变导致物种性状的多样性,自然选择筛选更具适应性的表型。然而,单纯的基于DNA序列的遗传学(比如基因突变)并不能解释自然界中真正看到的物种表型的丰富性。


表观遗传学是一门新兴的生命科学分支,其三个重要的要素分别是:(1)DNA序列本身不发生变化;(2)表型发生改变;(3)(这种不基于DNA序列产生的变化)可遗传。实现这种非经典遗传的遗传方式主要有(1)DNA序列的甲基化修饰(DNA methylation);(2)组蛋白修饰(histone modification);(3)非编码RNA(non-coding RNA)的参与调控。


在本文中,作者将会介绍进化论的基础知识和演变过程,简述表观遗传学与经典遗传学是如何在演化过程中彼此协调,发挥作用。不过关于表观遗传学和经典遗传学之间的关系学界还没有完全定论,表观遗传在进化论中所占的地位也尚未明确,表观遗传也决不能和拉马克主义划等号。本文仅代表作者一家之言,希望各位喜欢遗传学和生物学的朋友和年轻读者们能本着批判和宽容的态度看待这篇文章,毕竟表观遗传学是一门很新、不停在发展的学科,科学也需要不同的声音。也欢迎大家加入我们生物(biao guan yi chuan)的大家庭,自己动手寻找问题的答案! 


本文作者:迈克尔·斯金纳(Michael Skinner)系华盛顿州立大学生物科学教授,斯金纳实验室(Skinner laboratory)首席研究员。他的研究方向包括环境表观遗传学及疾病病因学。


所谓物竞天择,适者生存,现代生物学的许多主流研究方向都以查尔斯·达尔文(Charles Darwin)“自然选择”的进化论为基础:只有最能适应环境的生命体才能在物种演化的洪流中获得生存和繁衍的权利。这个自然选择的过程也被称为适应,而最容易帮助个体存活下来的性状则被看作是有适应性的。随着生命体的不断变化以及新突变型的出现,物种不断演化,数量也在不断增多。19世纪50年代,在达尔文提出“自然选择”才是推动演化的驱动力时,隐藏在驱动力背后的分子机制还尚不清楚。但在过去的100年间,遗传学与分子生物学的发展已经逐渐架构起了一种全新综合的现代达尔文主义,用以阐述演化的机制:DNA序列随机突变,具有最能适应环境的特定序列的生命体在生存竞争中占据优势,更易繁衍与盛行。这些物种从而因此在生态位中占据主导地位,直到环境再次发生变化,演化的引擎再一次被点燃。


但是这种阐释演化的理论并不能解释在演化过程中观察到的所有现象,这说明在物种演化的过程中,还有其他分子机制在发挥作用。达尔文理论的一个问题就在于,尽管物种确实演化出了更具适应性的性状(即生物学家们所说的表型),但DNA序列的随机突变率实在太低,这根本不足以解释生物在进化过程中出现的极为丰富的多样性。科学家们也清楚地认识到了这一问题,对此,他们也提出了一些可能的遗传机制对达尔文的进化论进行补充完善,比如遗传漂变(genetic drift,指当一个族群中的生物个体的数量较少时,个体因为没有后代,或某些等位基因没有传给后代,而拥有和上一代不同的等位基因频率的现象。可以理解为某些性状因为太少而在传代过程中遗失了),或基因的上位效应。


xiumi.us">
xiumi.us">

遗传学小词典:

遗传漂变(genetic drift):由于某种机会,某一群体(尤其是在小群体)中的等位基因频率出现世代传递的波动现象。

上位性(epistasis):某一基因受不同位点上别的基因抑制而不能表达的现象。


然而,即便存在这些机制,在人类等复杂生命体中,无论是代谢调节还是对疾病的抵抗机制,这些生物进程所反映出的的遗传突变率仍然远低于众多性状发生改变的频率。仅仅依靠经典遗传学和新达尔文主义的理论很难解释急速演变的诸多性状。著名演化生物学家乔纳森·巴德(Jonathan B. L. Bard)曾经开玩笑地改写了英国诗人艾略特(T. S. Eliot)的著名诗句:“在表型和基因型之间,总是有道阴影。


艾略特的原诗《空心人》,有关段落有三段,此为最后一段:


Between the desire and the spasm

在渴望与抽搐之间

Between the potency and the existence

在能量与实存之间

Between the essence and the descent

在本质与原初之间

Falls the shadow

总是有道阴影

For thine is the kingdom

那是你的国度


此外,达尔文理论的缺陷已经不再仅仅只是演化科学范畴里的内部问题,而是开始波及生物学和生物医学的其他领域。比如说,如果基因遗传决定了我们的性状,那么为什么基因相同的同卵双胞胎会患上不同类型的疾病?为什么在许多特定疾病的患者中,通常仅有不到1%的人具有相同的基因突变?如果突变率是随机而稳定的,那么为什么许多疾病的发生率会在仅仅几十年内增长至原有的十倍之多?为什么上百种环境污染物能诱发疾病的发生,却没有改变DNA序列?在演化和生物医学领域,表型发生差异的速率要远高于遗传变异和突变的速率,而这又是为什么?


让-巴蒂斯特·拉马克 (Jean-Baptiste Lamarck)提出的学说或许能够解释其中的一部分问题。拉马克的“用进废退”理论提出于进化论问世的50年前,如今早已被科学界冷落到了无人理会的犄角旮旯,不过拉马克的理论并不是没有丝毫可取之处,他提出“环境能够直接改变性状,并且这些性状能够被后代承袭”。拉马克是法国国家自然历史博物馆的无脊椎动物学教授,在18世纪末及19世纪初,他研究了包括昆虫和蠕虫在内的许多生物,“生物学”(biology)和“无脊椎动物”(invertebrate)这两个词语最早就是由他引入科学界;此外,他还撰写了多本与生物学、无脊椎动物和演化相关的学术著作。然而,尽管拥有这些显赫的学术成果,拉马克在当时所提出的演化理论依旧因为亵渎神明而遭到了诸多同时代人的仇视,而之后200年内的科学家又因另一个原因反对他的理论。



长颈鹿是拉马克进化论的标志之一。图片来源:giraffeconservation.org


起初,拉马克被嘲笑很可能是因为当时的人们认为他怀有宗教上的异端思想;但在近代社会,他被嘲笑却是因为他的理论与所谓“正统”的科学思想——即在某些人眼中不容置疑的达尔文进化论——格格不入。然而,晚年时期的达尔文却开始转变自己的想法;即便并未借助分子生物学的研究手段,他也能够发现,随机变化的速率根本不足于完全支撑他的理论。


达尔文进化论的问题在于:如果自然选择不是仅仅作用于基因突变,那么又是什么其他的分子作用造成了数量如此磅礴的多样性状,令自然选择可以从中游刃有余地“精挑细选”?1953年,在达尔文理论发表将近100年后,也就是沃森和克里克揭示DNA双螺旋结构的那年,一条线索终于出现了。爱丁堡大学的发育生物学家康拉德·沃丁顿(Conrad Waddington)报道称,处于胚胎发育阶段的果蝇在受到外部化学刺激,或在周围温度环境变化的情况下会发育出不同的翅膀结构。而且这种在第一代果蝇中被科学家诱发得到的性状改变会遗传给此后所有的后代。沃丁顿创造了“表观遗传学”(Epigenetics,希腊语前缀epi-意味着“在…之上”或“除…之外”,意味着表观遗传学研究传统分子水平遗传之上或之外的遗传。)这一术语来描述这种表型(注意,不是基因型)快速变化的现象。值得注意的是,哪怕是在沃森和克里克揭示DNA结构之前,沃丁顿就已经意识到他的研究对演化理论可能产生的潜在影响:单代果蝇的翅膀变化支持了“异教徒”拉马克的思想——看上去环境似乎真的能够直接影响性状。


尽管沃丁顿描述出了表观遗传学的一般规律,但他和拉马克、达尔文一样,并没有发现构成这一现象的分子元件或是在现象背后暗藏着的分子机制。不过,随着分子生物学揭开了越来越多生命的运行规律,沃丁顿及拉马克学说的意义开始逐渐显现了出来。实际上,尽管绝大多数环境因素并不能直接改变DNA的分子序列,但它们确实调控着一系列能够影响DNA功能的表观遗传学机制,比如上调或是下调某些基因表达量、或是控制蛋白质(基因转录翻译后得到的产物)在特定细胞中的表达。


如今,表观遗传学的精确定义是:在不改变DNA序列的前提下,能够调节DNA功能、决定基因表达或关闭的,可遗传的分子生物学因素。表观遗传学涉及到许多微观的分子反应,这些反应过程在不改变基因DNA序列的情况下,显著影响了基因组的的各项微观活动。


http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/MjY4A5YVEoeGLymTvianjjWcjnEbxBpjTUlicTjGADOBmEpL3fQP8fb5asQOobWI1c7NSkvVPVaIhaFLm8LpA6uw

正在加载...

扫描二维码关注环球科学ScientificAmerican官方微信账号