活性氧是生物进化的动力

4．1　活性氧是生物进化的动力

对活性氧（ROS）自由基在生物体内的作用的研究由来已久，目前发现许多生理过程都有活性氧的参与。如参与信号转导，对生物大分子的损伤，诱导增殖与分化，诱导凋亡。活性氧在生物体内发挥着巨大的功能。

孙立波、郑荣梁根据活性氧对遗传物质DNA的损伤后继效应、活性氧在生命起源与进化过程中的作用，以及活性氧在胚胎发育中的调节功能，提出了活性氧是生命进化的动力的重要结论。

DNA损伤就会导致复制错误，产生突变，使生物体产生病变或癌变，严重的则会导致生物体死亡。因此，损伤必须在DNA复制之前及时修复。当然，最好是在损伤发生之前就清除ROS。生物体内的确存在这样的清除系统。可是，自由基反应发生的时间很短，使清除反应来不及发生就可能已经产生损伤。同时，清除反应多是一种链式反应，在一种ROS被清除的同时，会产生新的ROS或其他种类的自由基；譬如SOD催化超氧阴离子自由基生成过氧化氢。所以DNA的损伤在所难免，为了不使损伤发展成为突变，一个高效、准确、完备的修复系统就成为必需的了！但遗憾的是，修复系统同样存在漏洞。突变成为生物体必然发生的现象；其目的是为了保持一定水平的未修复的损伤，以保持一定的突变率，维持进化的动力。这同样也是进化的结果。进化的作用使生物保持着进化的能力。

生物体确实需要突变，因为在生物体内发现了称为突变酶的一类酶，包括：DNA多聚酶Ⅴ，DNA多聚酶Ⅳ，DNA多聚酶ζ和DNA多聚酶η；这些酶都属于DNA修复酶或复制酶系统。可见突变与修复、复制紧密联系在一起，突变是生物必然发生的现象；一定程度的突变率对生物进化来说是必需的。因此，清除系统与修复系统都留了一个“后门”就不足为怪了！因为这个“后门”提供了突变的机会，也因此提供了进化的动力，可用下列关系表达：

这就是我们把ROS称为生物进化动力的原因——活性氧的存在使突变成为必然，一定程度的突变的发生，又使进化成为必然。

对于以上的关系，生命科学中的许多研究都提供了间接的证据。以下两个事实间接证明了上面的推论。

首先是在生命起源的过程——特别是真核生命起源的过程中，活性氧发挥了十分重要的作用。让我们先回到37至38亿年前，回到生命起源的初期。那时的地球完全是一种还原态环境，大气中没有氧，而且没有臭氧层的保护，紫外线十分强烈，情况很像现在的火星。那时，多数生物刚刚完成由化学物质进化到生命物质的过渡，因此，生物主要是靠化学能自养或异养。不会利用光合作用，也不会利用O₂，获得能量的效率很低，结构简单，生物种类也不丰富，主要是原始的原核生物。强烈的紫外辐射对生命的生存与进化存在极大的威胁，原始的生命为了维持遗传的稳定付出了高昂的代价，整个生命体系的进化过程也十分缓慢。

可是到了19亿年前，情况发生了变化，大气中的氧浓度开始升高。为什么会发生这种现象？地理学的研究并不能确切回答这一问题。但是，从生物学角度说，最原始的氧，来自简单的光能自养生物；也有人认为，是来自水电离后生成的氧。氧浓度变化的原因虽然不清楚，但这种变化却对生物进化产生了巨大而深刻的作用。

氧的出现，使刚刚适应了紫外辐射的原始生物不得不面对更大更直接的威胁。这时，氧在进化中的作用第一次表现出来：作为一种选择因子，完成了由原始生物到原始真核生物的进化。随着氧在进化中作用的体现，其损伤作用也成为生物生存无法回避的一大问题。事实上，氧的选择作用就是生物为避免氧损伤的进化结果；包括真核细胞的产能细胞器——线粒体——都是为避免氧损伤而形成的内共生。内共生的学说也从一个侧面反映出多细胞生物比单细胞生物对氧有更高的抵抗力。多细胞使直接暴露于大气中的细胞比率减少（体积越大的生物，其表皮与其体积的比率及表皮细胞与总细胞数的比率越小）从而减轻了氧胁迫，生物生存获得了更大的自由。虽然氧浓度升高，氧损伤加剧的问题得到了缓解，但对氧的利用——氧化磷酸化作用——却使生物体内ROS增多，内源性ROS使活性氧的损伤更直接，氧损伤成为不可回避的问题。于是，生物系统在进化中产生了清除系统与修复系统。可是正如前面所述，不论清除系统还是修复系统，都存在漏洞，进化并不能把它们除去。其原因就是生物选择了利用氧之后才选择清除氧，而利用氧给生物生存带来了巨大的利益，利用氧本身就包括利用氧来促进生物进化。正如前面的关系，适度氧损伤对生物进化有利，真核生物的繁盛就说明在处理好利用ROS提供的进化动力与对抗损伤的关系后，ROS大大加速了进化的步伐。ROS在进化上的作用正说明进化的结果使生物保留了进化的动力这一哲学真理。

ROS在进化中的作用，还可以通过对发育的研究得到证明。胚胎的发育被认为是生物系统发育的重演。那么对发育及分化的研究，将从另一个角度为我们提供ROS在进化中作用的证据，以及ROS在进化中的作用所留下的痕迹。但有关ROS对发育的影响的研究还不多，仅就目前的研究而言，发现小鼠胚胎发育过程中在滋养层会产生ROS；另外的一些研究则表明不论受精卵的发育——单细胞的发育还是胚胎的发育——多细胞的发育都需要在一定浓度的氧存在下进行；氧浓度过高或过低都不能正常发育。例如，受精卵发育时需要的氧浓度是2．5%～5%，在这个浓度范围之外则不能正常发育。这些都说明了ROS在发育——进化重演——的过程中发挥着重要的作用，而反过来正是由于ROS在进化中发挥了巨大的作用，才使发育中也同样离不开ROS的参与。

其次，就是ROS与癌的关系。癌是什么？这一问题的研究由来已久。最初把癌的发生与生物对氧的利用联系在一起。癌的自由基学说的确立及发展，把癌的发生与DNA损伤特别是ROS造成的DNA损伤紧密地联系起来。

近年来对ROS的许多研究也表明ROS在癌细胞的生长过程中有许多不同于正常细胞的作用。那么ROS在进化中的作用与癌有什么关系呢？有人在研究癌发生与环境污染的关系时，提出癌是个体为整个物种进化所付出的代价，并提到了ROS在癌发生中的作用，以及ROS浓度与DNA损伤及癌发生的关系。这让人们从一个全新的角度认识癌。同时也使ROS充当了新的角色——既然ROS与癌发生有紧密的联系，癌又是物种进化的一种手段，那么ROS不正是促使这种进化手段发生的动力吗？换句话说，ROS通过癌这一特殊的机制发挥其在进化中的作用。因此有人进而提出癌是生物体内一种进化机制，可维持物种基因组的稳定，剔除有害基因。这种作用同样离不开ROS——其实，癌组织中ROS的异常正说明ROS在发生作用。对于这一系列假说，后来的研究提供了一些证据，表明癌基因的确不稳定。而这正是ROS发挥作用的证据，同时也是癌进化学说的证据——在ROS作用下，癌基因不稳定；不稳定的基因为剔除有害基因提供了可能。ROS与癌关系的研究表明，ROS既是开启癌这一进化机制的开关，也是癌行使其进化功能的工具，癌的进化机制完全是ROS作用的结果。近年来对ROS的研究表明癌细胞中清除与修复能力都存在着有别于正常细胞的地方，可视为对以上观点的间接的证明。

对ROS在生物体内的作用及机制，人们研究得很多，但其在进化中的作用，由于缺乏直接的证据与研究手段，一直以来研究得不够深入。但随着生物学研究的蓬勃发展，ROS在生物系统进化中的作用将会研究得越来越清晰！