数十年来,自私的基因这个比喻使我们能用新的眼光清晰地看待进化问题,但它是不是蒙蔽了我们的双眼呢?
文/大卫·多布斯(David Dobbs) 翻译/菲必
几年前,在一个参与者多达35000人,时时刻刻都有研讨会进行的大型神经科学会议中,我随便逛到了一个讲座,本以为是关于意识的,但事实证明我弄错了,那是关于蚂蚱和蝗虫的。在会议室的前方,一位对虫子十分着迷的神经学家史蒂夫·罗杰斯(Steve Rogers)正在向大家描述这两种生物——一种优雅、谦逊、举止得体,而另一种呢,简直就是足球流氓。
蚂蚱呢,他说,以修长的腿和翅膀著称,压低行走,步伐平缓,独自进食,小心谨慎。而蝗虫的腿则短小而蜷曲,行动时横冲直撞、鲁莽匆忙,饥饿时集结成群,遮天蔽日,一旦降临农民的某片田地,往往啃个片甲不留。
它们之间有联系,是的,就像蚂蚱和蟋蟀之间有联系一样。但就算对昆虫无知如我一般,也看得出蚂蚱和蝗虫是截然不同的两种动物——毫无疑问不同种,可能还不同属。因而当罗杰斯告诉我们蚂蚱和蝗虫实际上属于同一物种,甚至就是同一种动物时,我相当惊异。而且,就像吉基尔与海德 是同一个人一样,这两种昆虫可以在非常短的时间内互相转化。
他解释说,并不是所有的蚂蚱(约有11000种)都具有这种变形的能力,有一些永远都保持着蚂蚱的形态。但是每一只蝗虫都曾是,并且严格地说仍然是一只蚂蚱——并不是另一物种或亚种,而有点像是一只发了疯的蚂蚱。一旦出现食物可能短缺的征兆,比如饥饿或同类数目激增,某些种类的蚂蚱就可以在几天甚至几小时内从它们独来独往的跳虫状态变身为疯狂群聚的灾难分子。反过来,它们也能迅速转换回初始状态。
就拿生活在非洲、中东和亚洲的最为臭名昭著的沙漠飞蝗来说,当同类数量增加导致它们体内血清素短暂突升,进而引起基因表达的变化时,就会出现上述的相变。这种基因表达的变化范围如此之大,力量如此之强,以至于不仅改变了蚂蚱的行为方式,还改变了它的外表和形态。它的腿和翅膀会缩短,精微的保护色会明显变为花哨扎眼的颜色,它的脑部也会变得更发达,以适应更加复杂的新群居环境,这种复杂性包括当一只蝗虫在它数以百万计的同伴当中行动太慢的时候,可能会被后面的亲戚们吃掉。
这一切又是怎样发生的呢?是它们的基因出了什么事吗?是的,但是——以下就是罗杰斯演讲的重点——它们的基因实际上并没有改变。也就是说,它们并不是产生了突变,也完全没有改变自身的基因序列或DNA。任何东西都没有被重写,换句话说,这虫子的DNA——这记载了关于如何构建和运作起一只蚂蚱的包含数百万字的基因说明书——是被重读了,于是整本书就变成了如何运作起一只蝗虫的说明书。即使当这种动物变成了另一种动物,就像吉基尔变成了海德一样时,它的基因组依旧是不变的。同样的基因组,同样的个体,但是,相当不同的两种生物。这一点,我想我们都会同意。
为什么呢?
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改变了蚂蚱的是它的基因表达,也就是说,它的基因如何被“表现”或者说“读取”产生了变化。正是基因表达使一个基因产生意义,它对区分物种间的差别至关重要。例如,我们人类的基因组同扁形虫有一半以上是一样的;同果蝇和鸡有约60%相同;同牛有80%;同大猩猩则有99%。基因上的差别不足以产生那些使我们区别于这些动物的特点,即生物学家所说的我们人类独特的“表型”,而这表型根本上说正是基因型构筑的结果。这就意味着,我们之所以是人类,而不是像虫子、苍蝇、鸡、猫科动物、牛科动物、尤其是猿类一样,与其说是因为我们有着与它们不同的基因,不如说是因为在我们从受精卵发展为成人的过程中,我们的细胞对那极为相似的基因组做出了不同的解读。写入当然也不同,但远远比不上读取的差别。
这提出了一个问题:如果仅仅对基因组做出不同的解读就可以使机体产生如此巨大的变化,干嘛还要费事重写基因来完成进化呢?基因序列的实际变化究竟有多么重要?我们要适应新的环境,是否总是需要改变DNA?有没有别的方法达到同一目的?基因作为进化推动者角色的重要性是不是被过分夸大 了?
你肯定已经注意到这些问题并没有占据《时代》耀眼的封面或者成为欧普拉秀、莱特曼秀或者是TED秀上常谈的话题。但是在过去的20多年间,这些却在遗传学家和进化理论家当中掀起了一番又一番热烈的争论。随着越来越多的证据证明基因表达的迅速变化和其他复杂的基因动态有着强大的力量,这些问题有可能(也有可能不会——因为一些恼人的原因,我们等会再讲)不仅仅会改变主流进化理论的发展,还会改变我们对进化论的寻常理解。
二十年前,我们对上述那种蚂蚱变蝗虫的相变还基本一无所知,而且除了在植物学界,本来就没什么人把这些相变和基因表达的变化联系起来。现在,据巴拿马史密森尼热带研究所的一位蜂类研究员玛丽·简·韦斯特—埃伯哈德(Mary Jane West-Eberhard)观察,基因表达引起的显著表型变化“无处不在”。对植物、微生物、鱼类、胡蜂、蜜蜂、鸟类甚至是人类的基因表达研究中都有例证出现。基因组能够如此迅速而轻易地改变基因表达,进而改变表现型,这一点不断让生物学家感到惊奇。
上世纪80年代,人们认识到在生物成长早期——比如在胚胎期或植物种子的萌芽阶段,基因表达的变化会产生物种间的不同,紧随其后的便是上文所述的那些发现。大约在同一时间,基因组测序开始逐渐揭示出那些看起来完全不同的生物的基因组实际上却存在着惊人的重合,正如上面提到的那样。(在此重复一遍:80%的你是头牛。)
格里高利·雷(Gregory Wray)是北卡罗莱纳州杜克大学一位从事果蝇研究的生物学家,他将基因解读的这种灵活性视为通往适应灵活性的捷径。当“说明书”中的一种既定游戏方案不够灵活时,基因表达就迅速改变——即改变“说明书”的解读方式,这样便可以提供另一种方案以便适应新的大环境。
“不同的动物族群成功生存下来的原因各自不同,”雷这样说。“包括人类在内的灵长类动物成功的原因就在于他们非常灵活多变。甚至可以这样说,灵活性就是灵长类动物的本质属性。”
雷、韦斯特—埃伯哈德以及其他一些学者认为,既已认识到基因表达的力量,认识到上世纪中叶以来主流遗传理论从未料想过的基因动态和过程,我们就应当重新思考并且扩展我们对于基因及遗传问题的看法。在过去一百年中,对于进化论的主要描述往往强调了基因的建筑师角色:基因(或者基因变异)创造出一种有益或无益的属性,并根据它对一个物种是否进行了优化这一标准被加以选择。就这样,基因蓝图便绘制出了种种特质或属性,并推动了进化的发展。
众所周知,基因中心的这一观点正是大家高中课堂上学到的那个,这也是你在几乎所有关于基因如何创造生物特性并推动进化的流行叙述中听说或读到的那样。这个观点起源于格里格·孟德尔(Gregor Mendel)以及他在19世纪60年代所做的那些豌豆研究。从那时起,尤其是在这过去的50年间,这个理念权重千金、根深蒂固、不可动摇。
但一些生物学家试图证明我们应该放弃这种基因中心的观点,而采取一种新的看法。我们应该更加重视那些环境所决定的更为灵活多变的因素在进化中的角色,比如基因表达和基因组内部复杂性。与其将基因视为建筑师,我们不如应当将基因视为负责重新建模和维修的合作工作组的其中一员。
他们倡议,应当像一个世纪前摒弃维多利亚时代的历史“伟人”那样,摒弃这个概念。那时历史学家们纷纷起身宣布,领袖们并不像托尔斯泰所说的那样,是历史的掌控者,而是历史的仆人。这样看来,俄国革命之所以会爆发,并非因为马克思和列宁太聪明,而是因为农民忍无可忍,发起反抗并制定纲领,只是这一切被马克思表述出来而最终又被列宁夺走了。同样的,诺曼底登陆的成功也不是因为艾森豪威尔的卓越,而是因为美国和英国士兵即时采取了灵活机动的策略,才在变幻无常的形势中走出了一条道路。雷、韦斯特—埃伯哈德等人正是想这样罢黜基因的地位。在他们看来,基因不再是变化的发起者,而不过帮忙促使了一些变化的发生,而这些变化是由更多样更多变的力量引起 的。
这些问题对韦斯特—埃伯哈德和雷等人来说重要极了,但我们需要关心 吗?
答案是肯定的。我们正迅速进入一个基因时代。比如说几年前我成为23andMe的客户之一,我付款给这个搞基因绘制的公司,他们负责为我确定我携带的上百种基因变体都是些什么。如今该公司的客户数目已经近50万。现在我知道能够揭示我身世血统、决定我健康状况的“重要基因”都是哪些了。我知道如何去理解它们吗?甚至说,它们本身有意义吗?答案有时肯定,有时否定。举个例子,它们让我知道,我比别人罹患阿尔茨海默症的可能性要高一点,这样一来我能够制定相应的健康计划。但那些基因同时也告诉我,我本应又矮又秃,但实际上我身高六尺三,还有一头非常好的头发。
很快我就有可能买到我的整个基因组了。它会让我知道更多信息吗?会有意义吗?上百万的人将要面临这个谜题。同我们的医生一起,我们将利用这些信息来决定一切,从应该吃什么药到是不是应该要孩子——即使是在已经怀孕数天的情况下——这真是个生死攸关的抉择。
但在我们在进入这个基因时代的同时,遗传学还存在着一个观点。如果我们把这个观点应用到篮球上的话,那便会将原本复杂的团队合作运动简单看成了场一对一的游戏。这样的观点还不如没有观点的好,因为它让你误以为自己很了解一个你其实根本不明白的东西。但我们需要更复杂一些。
“并不是人们没有能力把它复杂化一点,”雷说。“有教养的人们一直都在思考着比这些复杂得多的问题。我们对橄榄球的理解都比我们对遗传和进化的理解要复杂,没人会认为四分卫一个人就能赢得比赛。”
“我们在一个我们早就应该抛弃掉的过时想法中困住了。”
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这种过时的想法的种子是被150年前研究豌豆的修道士格里格·孟德尔播下的。孟德尔花了7年的时间在现已归属捷克共和国的小镇布尔诺的一个5英亩大的修道院花园中培育豌豆。他将圆粒或皱粒的豌豆进行杂交,总共获得了29000棵植株。完了之后他进行了数据统计,接着发现了基因。
当然了,孟德尔发现的并不是物质意义上的基因,(那是在一个世纪以后才发现的,)而是概念上的基因。而这位热爱数学的修士的图表和计算中揭示出来的概念上的基因,看起来就是简洁数学运算的结果。孟德尔的上千次杂交实验显示,他所研究的那些生物属性——例如表面平滑和表面褶皱,或紫花和白花——按照由明确的数学公式所决定的固定比例,或显现或消失。遗传看起来跟代数一样精确。如此符合数学规律的东西一定是由某些分散的整体决定的。
这工作做得太漂亮了。但当孟德尔在1866年时首次公布他的发现时,也就是达尔文的《物种起源》面世仅7年后,他并没有引起人们的注意。然而从1900年开始,重新发现这些工作的生物学家们开始认识到他所发现的这些遗传单位——也就是1909年时被命名为“基因”的东西——填补了达尔文进化论中存在的一个关键性空白。正是这一认识开启了遗传学“我的妈呀!”世纪的那个“我的妈呀!”时刻。这么一来,好像一切都说得通了。而且,这发现拯救了达尔文。
达尔文通过提出一个可行的机制——自然选择,来解释进化问题。通过自然选择,那些有着更加有利特性的生物存活了下来,并且比其他生物能更有效地进行繁衍。但他无法解释是什么创造或改变了这些特性。
孟德尔可以。基因创造了特性,如果某个基因创造了某种可以通过选择的特性,那么二者都能够在一个种群中扩散开来。
到1935年,这些理论已为人所知。自然了,还有一些结没有解开,但是更多热衷数学的生物学家很快就把它们一一搞定了。这些工作花去了20世纪中期的大部分时间。现在生物学家将这项长达数十年的工程称为现代演化综合——而实际上全是跟数学有关的东 西。
第一项重大的计算工作始于30年代,那时罗纳德·费舍(Ronald Fisher)、J. B. S. 霍尔丹(J B S Haldane)和赛沃尔·莱特(Sewall Wright)——或多或少算是各自独立工作的两位英国人和一位美国人——计算出孟德尔的二元基因模型不仅能创造出诸如圆粒与皱粒这种二元差别,而且还能解释达尔文所描述的那种渐进式的演化。费舍、霍尔丹和莱特对在大范围群体中,多元基因随着时间推移进行互相作用的过程进行了非常复杂的数学计算,结果显示,重大的进化改变往往通过由许多小的改变共同产生了一个大的作用的这种方式体现出来,就像在一个长代数等式中嵌套的一系列小等式的作用一样。
解开第二个结则更加困难一些。如果生物体是通过击败竞争对手实现自身的发展和兴盛,为什么人和动物还会帮助自己的同类呢?这个问题看似不大符合数学规律。但是在60年代,英国生物学家威廉·汉密尔顿(William Hamilton)和一直在伦敦工作的美国遗传学家乔治·普莱斯(George Price)同样通过数学手段解决了这个问题。他们设计出了相应的公式,能够准确计算出自然选择中这种利他性能达到的程度。据他们解释,一些动物表现地十分“慷慨”,是因为这样能够帮助那些跟他们携带着(或者有可能携带)某些相同基因的同类,比如它们的子代、父母、兄弟姐妹、表亲、孙代或者同族伙伴。亲缘关系越近,他们善待对方的行为也越明显。因此,正如霍尔丹半开玩笑宣称的那样:“我愿意为两个兄弟或者八个表亲献上我的生命。”
这样,数学协调了孟德尔和达尔文的同时,也将现代遗传学和进化论结合成一个统一的整体。沃森和克里克在1953年关于DNA结构的发现,仅仅是又迈进了一步:现在我们知道把那些数学运算变成现实的结构是什么样了。
最后,同样是在60年代,汉密尔顿和美国的乔治·威廉姆斯将基因的地位抬到了前所未有的高度。通过神奇的数学运算,他们宣称,包括人类在内的任何一种生命体都仅仅是某些基因和遗传特性的载体而已。这一举推翻了我们对此通常的想法。这个结论使基因变成了最关键的东西,而生物则可以被牺牲掉。我们的基因不再为了我们而存在,相反,我们是为了它们而存在。我们的作用,就仅仅是将这些化学密码延续下去,就好像刀光剑影的老战争电影中的信使一样,马不停蹄地奔波数日只为传递消息,一成功就立刻倒地而亡。这是个非常激进的想法。但其实这只是延伸了亲缘选择的逻辑,就是说任何一个基因使者都会牺牲自己以保护基因的延续,比如当一个母亲看到自己孩子的独木舟倾翻时,她会不顾生命危险前去施 救。
将基因看作被选择的单位,而生物沦为负责运送它穿越时间长途的组装货车,这个想法一下子将基因摆到了中心位置,它为给基因找了个类似中介的东 西。
刚开始的时候,甚至学术圈都没太注意这个观点。部分原因可能是大家都不大乐意把自己想成运货的驴车。另一个原因是汉密尔顿和威廉姆斯两人都不善表达,没能把自己的观点说清楚。
但就在汉密尔顿和威廉姆斯提出这个想法的15年之后,有个人吸收了这个概念,而且还把它精心打造了一番,最后使它熠熠生辉。这人就是科学史上最牛的传播家之一——生物学家理查德·道金斯。在他的巨著《自私的基因》(1976)中,道金斯理出了现代演化综合中的所有线头——孟德尔、费舍、霍尔丹、莱特、沃森、克里克、汉密尔顿和威廉姆斯,最后用它们织成了一张金光闪闪的魔毯。
最近道金斯总是频频出现在新闻中,都是说些剑桥某个学院所获得的诺贝尔奖数目比整个穆斯林世界都多这类的事情,他出现频率高得大家开始奇怪他究竟是怎么变得这么出名的。其实就是因为《自私的基因》。阅读《自私的基因》这本书的过程简直就是拍案惊奇、愉悦身心、移形换位的过程。比如说,当达尔文描述生命如何开始的时候——苍茫太空之中随机产生的一撮化学物质竟然刚刚好成为一个“复制因子”,它就像个小小的机器,开始复制出更多跟自已一样的物质,接着又创造出有机体来承载自己——他写出了史上所有说明文中最震慑心灵的篇章,简直令人叹为观止。
道金斯将遗传学枯燥无味的材料整合起来,又将数学注入其中,形成了一幅丰富而又有序的图景,他的翩翩风度、优雅从容和风趣幽默引导着你前行。他把他所描述的过程用文字进行了重现,他让化学链变得生动起来,让令人迷惑的种种生物行为有了清晰的逻辑。他能把一个复杂得无法想象的概念说得清晰得令人绝不会误解。通过他的揭示,基因不仅是细胞的中心,而且是一切生命、媒介和行为的中心。到你读完了这本书的时候,或者早在你读完之前,道金斯已经让这小小的基因——这个复制因子,这仅仅比抽象的东西稍微清晰那么一点的一小撮化学物质——变成了一个巨大的永不停转的钢铁齿轮,它带动了其他小部件的运动,从而使一切生命成为可能。
这是个精彩绝伦的故事。它除了优美什么的之外,还经得起数学的检验,并且其核心思想异常简单。它激励着无数的生物学家和遗传学家去探索基因的奥秘并做出卓越的成绩。不幸的是,在雷、韦斯特—埃伯哈德和许多其他专家看来,这自私的基因的故事太过强调基因在自然选择中唯一的角色,结果是,在现在这个时代,生物进化比我们想象中要精巧、复杂得多这一事实已经显而易见,而自私的基因的模型越来越严重地禁锢着科学界以及大众对于遗传和进化的看法。作为一个概念框架同时也是一个比喻,“自私的基因”帮助我们认识了20世纪的基因的概念。但随着新时代和新工具揭示出了更加复杂的基因组模型,“自私的基因”无疑正蒙蔽着我们的双眼。
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20多年来,雷、韦斯特—埃伯哈德及其他进化理论家——比如纽约城市大学的哲学教授马西莫·匹格里奇(Massimo Pigliucci)、伦敦特拉维夫大学的遗传学者和科学史学家伊娃·杰布隆卡(Eva Jablonka)、福蒙特大学的生物化学和数学教授斯图亚特·考夫曼(Stuart Kauffman)、纽约医学院的细胞生物学和解剖学教授斯图亚特·A·纽曼(Stuart A Newman)、还有已故的史蒂芬·杰·古德(Stephen Jay Gould)——提出了“延伸现代综合”的概念,旨在用更加丰富的内涵来取代原先基因中心的进化论观点,尽管他们同意道金斯关于基因的论述的大部分观点。本质上说,他们同意基因是一个大齿轮,但他们认为这个最大的齿轮并不一定总是带动其他的齿轮。在许多情况下,是其他的齿轮带动了基因这个大齿轮。而基因呢,简而言之,只是恰巧是这创造生物特性的遗传和进化机器中那个最大的、最明显的零件而已,但是,并不是驱动器。
换句话说,孟德尔挖到了金块,但并没挖对地方。
孟德尔进行的一系列实验正好显示出了强烈的单一基因动态,而其结果——比如花色、表皮质感等特性——看上去比它们实际上的重要性要大的多。自那以后的许多实验都显示例如温度变化之类的环境因素可以促使基因表达产生变化,这种情况对植物产生的影响要大大超过孟德尔的基因变异产生的影响。和蚂蚱的情况一样,一个新的环境可以迅速使植物变得和原来的形态几乎完全不同。如果孟德尔有台RNA测序机并且习惯于跟踪基因表达的变化,他可能就会发现这些了。但这种测序机那时并不存在,而他只能对植物进行杂交实验,结果就是发现了生物体产生变化的其中一种特别明显的方式。
因此基因中心的观点实际上是个“历史的工艺品”,伯克利加利福尼亚大学从事果蝇研究的进化生物学家迈克尔·艾森(Michael Eisen)这样说。“这种看法之所以成为主流,仅仅是因为将单一基因看作引导整个进化的因素会更容易一些。但那完全是因为机会好,方便,至于准确性就另说了。大家只是把‘更容易研究’和‘更重要’这两个东西搞混了。”
根据艾森的观点,基因创造生物特性的能力只是演化多种机制当中的一种。“演化不是那么简单的。任何对系统工作有些了解的人都会明白,自然选择其实是利用了生物学中最奇怪的那些方面。在拥有这么多部件的条件下,进化动用了所有部件。”
“并不是说基因从来没有推动过进化,而是说现在这种一个基因产生变化就导致整个生物发生变化的变异模型只是众多方式中的一种。其他方式可能实际上产生的影响更大。”
比如有哪些其他方式呢?哪些重要而可信的进化动态可以和单一基因中心模型抗衡呢?因为坚持“自私的基因”这个稳定而孤独的复制者是进化过程中不可或缺并且永远显眼的驱动者,又有哪些因素被掩盖了呢?
要将这类动态列一个表格的话,那这还将包括一些由人类学家提出的内容,比如知识和行为的文化传递——这使从蜜蜂到人类的社会性物种能适应变化的环境而不需要做出基因更改;还有文化—基因进化——这是一个与之相关的概念,就是说文化并不是基因的“女仆”,而是可传播的适应信息的另一个来源,它所包含的种种因素与基因共同参与进化的过程,并互相影响。
同样跟自私基因的模型产生冲突的,还有最近研究显示出的后生变化,包括甲基化作用以及其他DNA外层化学物质变化,它们可以在不变更DNA序列的前提下改变DNA表达。这些后生变化可以使某些生物特性向下传递至少几代而并没有对基因做出实际上的更改。可以确定的是,这项研究至今还未被证实是一种重要的演化力量。但虽然继续开展这项研究的重要性显而易见,仍然有许多自私基因的模型的维护者对其采取刻意忽略的态度。
最后,与自私基因的模型冲突还有许多“有趣的演化现象”,正如格里高利·雷在《进化:延伸综合》中所说的那样,“它们只有当基因的规模达到上百或上千个时才能看到效果”——这是随着我们开始掌握迅速测定整个基因组序列的技术,在最近十年才观察到的。
在上面这些基因动态中,对自私的基因的故事形成最有力挑战的也许就是异位显性作用或者基因间相互作用了。异位显性是指某些基因(或该基因的变体)可以对由其他基因引发的活动或作用产生深远并且无法预计的影响。换句话说,一个基因产生的作用究竟如何,极大程度取决于它与其他基因怎样结合。(想想杰里·加西亚跟不同的乐手合作。)
异位显性其实不是个新概念了。实际上,自从上世纪20年代 R.A. 费舍和赛沃尔·莱特在这个问题上产生分歧以来,遗传学家们对于异位显性的重要性就一直争论不休。道金斯在《自私的基因》中对基因间彼此作用给出了一个评价,他说“任何一个基因产生的影响都取决于它与许多其他基因间的相互作用”。但从那以后的研究显示,这些相互作用是以非线性、非叠加的方式发生的,其复杂性在道金斯著书的那个时代还根本不可能被理解。达特茅斯大学的凯西·格林(Casey Greene)和杰森·摩尔(Jason Moore)最近发现在某些情况下异位显性作用会对传统的基因—特性关系产生如此深刻的影响,甚至往往可以颠覆基因作为生物特性可靠运载者的地位。
这不仅仅是关于一个基因如何消除或是扩大了另一个基因的作用,尽管这两种情况都有可能发生。这也不仅仅跟叠加效应有关,就是说比如四个“高个子”基因比两个同样的基因会使你变得更高。事实上,这些多基因的异位显性相互作用可以创造出无穷无尽彼此影响的组合,在这样的情况下,任何一种给出的基因的贡献与其说是来自于它内在的制造特性的能力,不如说是取决于它跟什么样的基因结合。借用P. Z. 迈尔斯(P.Z. Myers)的话,异位显性意味着单一的基因的内在重要性并不比扑克游戏中单张牌的重要性更大。在一手牌中,一张红桃2的重要性和影响——也就是它的“特性”——极大程度依赖于你手中的其他牌,而要说这张牌能够重新实现同样的作用那根本是无意义的。确实每次发牌时它都还是红桃2,只有在这点上它“重现”了。但如果它想在下面几局(下几代)实现同样的作用,那唯一的可能就是不仅你这一手牌跟上一局一模一样,而且桌上所有其他玩家拿到的牌也跟之前一模一样,而且还恰恰好所有人都采取完全相同的方式下注、持牌或弃牌。不能指望这个吧!
而且,一张红桃2的前后一致性比基因强多了。现在太过依赖基因中心模型最麻烦的问题之一就是“基因”这个词的定义比以往所有时候都更加多变,更加不靠谱。
即使作为一个技术名词,这个词也至少有六个意思,而且随着科学发展带来越来越多探索基因组的工具,更多的意思又被不断添加了进来。光这一点,就使它很不适合成为一个流行的“迷因”(文化基因),又或者没准是最适合的——如果你更重视灵活性而非准确性的话——因为可以根据不同的情况对它的意义进行辩护、重构或者延伸。如果你能够将基因的意义延伸为“一切真正的遗传和选择中必不可少的东西”,那么你就能在似乎牵涉基因的所有已发现或提出的进化力量中将它置于首位了——而且从此彻底排除所有似乎没基因什么事的进化力量。
但是基因的定义不仅仅是在语义上比较模糊。遗传学家在对基因组之前未探索的领域进行研究的时候,他们发现许多曾被我们归因于“基因”(在此指的是稳定一致的、合理定义的DNA组)导致的结果实际上是由基因和奇怪的DNA成分共同组成的网络实现的,而这更加否定了自私的基因的模型。
这些调控网络对自私的基因的模型形成了挑战,首先是因为它们包括了很多原本不被定义为基因的DNA成分。更重要的是,许多研究人员相信这些网络挑战着自私的基因的模型,因为它们并不像只顾着各自计划的自私个体那样,以“自私的基因”那种方式行为,而更像是一个管理团队一样,为了生物的整体利益而调节着单个基因的行为。染色体的立体特性将那些调控因子和单个的基因以几乎无法预测的方式联系在一起。每一个基因都“包围在海洋一般的”调控因子之中,就像分子生物学家乔·德克(Joe Dekker)对《连线》杂志记者所说的那样,每个基因都“能够与无数这样的因子进行接触和互动”。耶鲁大学的遗传学家马克·葛斯坦(Mark Gerstein)发现,这些网络中的基因有时即使在它们自身并没有什么重要影响的情况下也会被选中。另一些情况下,它们确实会产生影响,但是并不存在选择压力。
这些调控因子现在看来大大超过实际基因的数量,比例很可能高达50: 1。耶鲁大学的遗传学家马克·葛斯坦温和地指出,这些调控网络的复杂性,连同它们那特别管理团队的特性,引出了“究竟是什么被选择了”这个问题:是像自私的基因的模型中提出的那样,是单个的基因,还是在这高度的复杂性中依旧以某种方式隐藏着的管理团队?而其他遗传学家,比如冷泉港实验室的遗传学家托马斯·金泽拉斯(Thomas Gingeras),则根本上质疑是否遗传副本(也就是基因开始进行基因表达的出发令)应该取代基因作为基因组功能单位的地位。这些问题不仅仅是学术问题,解开这些疑问将能帮助解开癌症或其他及疾病的谜团。
这样的动态是近十年才开始出现的,因为这期间研究者对基因组实现了更加细致的研究。但是尽管我们目前“对这一切是如何运作的才仅有一丝模糊的想法”,正如格里高利·雷在2010年所写的那样,“很明显这类与我们原先的猜测相悖的例外并不少见。”
在这里雷的说法非常关键:他并不是说这些发现否定了基因中心模型的细节,他说的是它们违背了原有模型的猜 测。
而这才是整个争论的症结所在:关键不在于遗传时代或人类学的发现是否驳斥了自私的基因的模型,废弃了它的理论细节,大部分时候这些情况并不会发生。自私的基因的模型有很大的空间可以容纳这些发现,事实上它有着不可思议的包容性。但随着时间的推移,这种容纳无论对主对客来说都变得很不对劲。有许多发现和设想几乎是被硬塞进去的,而另一些则过早地被关在了外面。
自私的基因的模型和比喻也许能够再延伸一些,以解释上面所说的那些情况。但在如今的时代,基因组研究、人类学以及其他领域不断带来新的“违背猜测”的想法,自私的基因的故事对于它们还会是最好的解释方法吗?把这些不断涌现的发现和想法作为附录加到自私基因的故事后面,这么做有意义吗?或者也许是时候寻找另一个故事了?可能基因永远会是一个玩家,但不大可能是唯一的玩家。而且——请允许我打个比方——基因可能(也可能不)总是表现得好像很“自私”,但那并不意味着它总是为所欲为。
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雷指出的其中一个违背猜测的例外情况是基因表达能力的范围很广。在玛丽·简·韦斯特—埃伯哈德从1979年起就一直在研究的群居黄蜂中,其中一群黄蜂产生的区别性特质之中,许多最重要的特质并不是由他们的基因组不同造成的——基因组本身几乎没有变化——而是由基因表达带来的可塑性造成的。从蜂后开始讲,它的基因和数以千计的同伴们的一样,但是基因表达却使它不仅体型更大,而且成为了整个群体唯一与众不同的生殖单位。大部分蜜蜂也是这样。在蜜蜂族群中,工蜂、守卫蜂和侦查锋的区别完全产生于基因表达的不同,而不是基因序列的不同。根据蜂群的需要,只依靠改变基因表达,蜜蜂个体就能实现从工蜂变为守卫蜂再变为侦察蜂的转变。
如上文所述,基因那值得质疑的表现一致性似乎尤其适用于基因调控——异位显性网络也是一样,后者进一步削弱了基因的首要地位。因此,尽管DNA很明显在调控基因表达中担当了关键性角色,但是否所有这些“调控基因”就是道金斯模型中所说的自私的基因,这一点却并不明显。
这只是众多原因中的一个,来解释为什么韦斯特—埃伯哈德及其他学者一直在尝试医治那种“循环失忆”——因为它,能够证明基因的中心地位被过分强调的种种证据被忽略了150年。韦斯特—埃伯哈德的主张非常有力,然而令她十分沮丧的是,她依然并没有改变什 么。
就像站在道金斯的巨人面前的大卫一样,韦斯特—埃伯哈德面临着特殊的挑战。首先,她是女性而道金斯是男性,这点本来无关紧要但事实上却并非如此。道金斯在世界最顶级的学府之一的牛津大学滔滔不绝地发表演讲,并以他的名义在伦敦一手成立了基金会,而韦斯特—埃伯哈德却在美国中部一个偏远的地方进行研究和写作。道金斯无论何时发表演讲,都能吸引到一大群蝗虫一般的听众,很可能他发表演讲的同时还得拒绝很多类似的邀请才能在五个日程本上找出一个空位来;而韦斯特—埃伯哈德的听众却主要只是小型会议上为昆虫着迷的几位同僚。道金斯那本可口的书300页厚,卖了上千万本;而韦斯特—埃伯哈德写的是一些精细却难懂的论文,还有本800页的大部头——《发展可塑性和进化》(2003),这本书中虽然也有些甜美的部分,但要啃完它基本上要有履行义务的决心。
有时候,她的表达也确实非常简洁有力。比如她说,有时“基因并不引导,而是跟从”。
马西莫·皮格鲁奇(Massimo Piglucci)和格德·穆勒(Gerd Muller)在《进化:延伸综合》当中也使用了相同的表达。他们所说的“基因跟从”,意思是除基因变异外的其他动态——从基因表达到复杂的基因调控到文化原因引起的发展路径——可以制造遗传特性,这种特性或是单独保留下来,或是以后由基因进行“锁定”,这一点特别体现在复杂生物身上。
基因跟从的一种方式是遗传同化——名字不好,但是过程很妙。看起来有点拉马克主义,但其实不是。它指的是一种可遗传的变更通过可变的基因表达反馈发展出来的过程,而这些反馈随后被基因型的变更“固定”或锁住。要解释这个得花点时间,但我们不妨试试看。
遗传同化有三个步骤:
第一,生物通过改变基因表达来改变其基因型,也就是它的外形或行为方式,从而适应变化了的环境。第二,出现一个基因来锁定这个基因型变更。最后,这个基因在族群中扩散。
举例来说,假设你是一个食肉动物,你和你的同类们一起生活在茂密的森林里。你们族类通常在暗中捕猎:你躲在树林间,然后突然跳出来一口咬住你的猎物。你不需要擅长奔跑,只要小心谨慎、出击迅速就够了。
接着发生了件大事——也许是森林火灾,也许一场瘟疫杀死了所有你原本的猎物,接着你被迫面对新的环境。这个新地方更开阔,你的跳跃和抓捕技巧没有用武之地了,但是这地方有味美多汁的小野猪,如果你全力奔跑的话,就能追上它们。你开始追捕这些小动物,而当你这么做的时候,某些基因就会改变基因表达来生长更多肌肉,并且更快地为这些肌肉提供补给。于是你跑得越来越快了。你正在变成另一种不同的动 物。
你跟另一个捕猎者交配。然后你们的孩子长大了,他们跟你们一起捕猎。由于他们很小就开始捕猎并不断练习,于是他们也变得很擅长奔跑——也许比你还要快,因为他们开始得早。他们并没有以任何“拉马克”的方式继承了你的速度,而是像你一样,只是因为跑得比较多而改变了基因表达,练出了这样的速度。同样的事情又发生在他们的后代身上:他们很早就开始奔跑,所以跑得很快。他们的速度是由环境决定的。你的后代延续了这更快的速度(比你的祖先更快),只要他们还在继续捕猎小野猪的话。捕猎让他们变得更快了。但如果他们不需要奔跑就可以得到食物,那他们的速度也会降低。
下面是第二个步骤:这一过程延续了几代之后,在你的某个后代身上出现了一个有益的变异。许多变异是中性或者有害的,但这一个却很好:它制造出了更快的肌肉纤维,让你的这位后代——我们就叫她戴安娜吧——轻轻松松就跑赢了所有同类。她像在飞。
接着就是最后一步了:戴安娜的子代继承了这个基因,接着是孙代。又因为他们的速度给他们带来了更多的交配机会,于是他们更早开始交配,频率也更高,子嗣也就更多。由此一来这位跑步冠军的基因就在数代的时间里逐渐扩散,直到最后在族群众固定了下来。
现在这个过程就完整了。本来只是由基因表达产生的适应特性通过一个新的基因被永久锁定在你的后代身上。假如回到你住在丛林的那个时候,这个基因出现了,但那时速度并不重要,那么这个基因就毫无优势。这个基因可能会逐渐消失,或者即使依然存在但非常罕见,并不会被选择。但因为狩猎使这个基因变得重要,于是整个族群吸收并且扩散了它。因此并不是基因推动了列车,它只是跳上来搭了个车而已。
这不是基因型创造表现型的基因中心的世界,而是表现型使某个新基因型变得重要,进而容纳了它。
遗传同化在40年代时被视为一种可能,但如马西莫·皮格鲁奇和考特尼·穆伦所说,“在新达尔文主义综合的‘强化’阶段,它被斥为无关紧要,并且这种次要地位持续了数十年”。而最近随着基因表达现象变得更加明显,人们对它的兴趣随之增加,生物学家也开始关注这一领域的进展。没有人说遗传同化一直在持续进行或是经常发生,或者说它会广泛取代传统的基因驱动的进化过程。但是它的存在显示出基因表达的不确定性能够与传统基因动态结合,拓展了进化的范围。
伊利诺伊大学从事蜜蜂研究的昆虫学家基恩·罗宾逊(Gene Robinson)说,遗传同化可能对非洲蜜蜂的进化起到了重要的作用,这里说的是“杀人蜂”亚种,与大部分养蜂人所养的那些更可爱的欧洲蜜蜂存在着基因上的差别。他说,非洲某些地区的蜜蜂蜂巢过去和现在都比其他地方的蜂巢更常遭受天敌的突击,因此这些蜂巢的蜜蜂不得不采取更激烈的方式来应对攻击。这就促使基因表达产生变化,导致非洲蜜蜂在面对威胁时产生更具攻击性的回应。当新的基因产生强化了这种攻击性,这些新的基因就会被选择并扩散到族群中去。罗宾逊说,这很可能就是非洲蜂与它们的欧洲表亲基因不同的原因。而它们之所以成为现在这样,并不是因为基因,而是因为基因表达。
5
我一直在跟这些研究表型可塑性的人聊并阅读他们的研究,这样过了数周之后,我打电话给理查德·道金斯,想听听他对此怎么想。基因的作用确实是跟从而不是引导吗?我特别向他询问了是否其实是遗传同化这类进程起了引导作用。他说遗传同化其实并不能改变什么,因为既然是最终由基因锁定了变更的特性并且将它进行了传递,最后总归是会归结到基因上面的。
“这根本就不能改变基因中心模型,”他说。“基因中心模型核心就在于基因是被选择的生命体系的基本单位。那就还是基因。”
“他是在重复定义,”韦斯特—埃伯哈德说。“他和其他人一直主张单一基因的首要地位,是基因创造了特性,而这特性要么保留,要么消失。”
然而韦斯特—埃伯哈德能够理解为什么许多生物学家还是守着基因中心模型。“这样解释进化会容易些,”她说。“我见过很多研究基因表达的人,他们完全理解这些东西。但是当他们被问到关于进化的东西时,他们还是会立刻用孟德尔来解释,因为那样能让人们更容易理解。”很容易就能看出为什么:尽管生命是无数生命因子不断组成的网络,包含不停变化着的众多反馈回路,自私的基因的模型提供了一种按部就班的解释,干脆利落地就像三步式的流程图一样。基因,特性,表现型,搞定。
换句话说,基因中心模型之所以长盛不衰,是因为简洁明了对于一个等待被接受的概念来说是最有利的优势。每次都是这样,相较于一个复杂的概念,人们更倾向于简单的概念。而这在一个不那么友好的环境中就更是如此,比如说面对一群怀疑的听众的时候。举个例子,威斯康辛大学的分子生物学和遗传学教授肖恩·B·卡罗尔(Sean B Carroll)大部分时间致力于基因表达研究,但是却经常援引基因中心模型进行阐释,因为他发现当听者是普通公众的时候,一个简单的故事简直是有用极了。
而这快把韦斯特—埃伯哈德搞疯了。
“道金斯非常清楚基因表达的强大力量,”她说。“他知道事情实际上比一个自私的基因要复杂的多。他可以说得完全相反。”
但是道金斯连同他的流行科学,还是死守着自私的基因的说法。基因解释了一切。到目前为止它都一直很有用。进行延伸综合研究的科学家们发表了大量论文,出版了不少论著,开了很多很多会议。他们已经改变了许多生物学家对进化的看法,但是他们还极少触及大众的认知,并且他们至今还未发现哪种方法可以取代像自私的基因这么强大的迷因。
在我看来,这一迷因是争论的真正焦点,也是前进的真正障碍。在这场混乱中一个奇怪的美丽之处在于,正是道金斯自己创造了迷因这个词,而且就是在《自私的基因》一书中。根据他的定义,迷因是在严峻的环境中争取主导地位的一个大概念。这个概念,就像是一个朗朗上口的曲调或者是一个安排巧妙的笑话,“通过在头脑间的传递实现增殖”。自私的基因这个迷因正是如此。它把进化理论变成了它实现自我复制的载体,自私的基因成为了自私的迷因。
如果你是韦斯特—埃伯哈德或者有同样想法的人,你打算用什么模型取代它呢?奴隶般的基因?听起来很难让人口口相传。合作的基因?道金斯自己就曾想过这个说法,但是最终放弃了,我也觉得它不够闪亮。而正如韦斯特—埃伯哈德所说,任何带有“基因”这个词的表达还是很容易让人把重心放在单一基因上。而“进化并不仅仅是单一基因的作用,”她说。“进化是许许多多基因合作实现的。”
也许说基因组比说基因更好——因为基因组指的是所有基因一起。而且基因组也不是单一的因素,它是与自身,与其他基因组,与外部环境不断对话,彼此影响的。如果人们相信蚂蚱能变成蝗虫,可爱的小蜜蜂能变成杀人蜂,以及遗传同化现象,那正是上述对话对生物做出了定义并推动了新特性和新物种的进化过程。整件事所涉及的并不只是一个自私的基因或是一个单独的基因组,而是社会化的基因组。
孟德尔对此会作何感想呢?让我们来演绎一下。
就说孟德尔小的时候确实研究过蜜蜂,而且他在完成豌豆植株研究之后又对蜜蜂进行了几年的研究。在修道院对两个物种进行杂交的时候,他偶然创造出了一种新的蜜蜂,它们非常凶恶,以至于他都不知道怎么处理它们。如果他那时有RNA测序机,那么他就会像基恩·罗宾逊一样,可以研究这些蜜蜂的攻击性究竟有多少是来自于基因序列的变化,又有多少来自于环境造成的基因表达变化。如果他那时做到了的话,这位遗传学之父可能在当时就发现,当一个生物及它的基因组还有它整个族群的同伴对环境产生反应的时候,并不是只有基因变异才会引起特性的改变和物种的进化。那么可能他不仅仅发现了基因,还会发现基因同化作用。不是自私的基因,而是社会化基因组。
唉,可惜这种设备当时并不存在,而且孟德尔工作的修道院地处市中心,他那些凶恶的蜜蜂带来的可能不是研究机遇,而是个大麻烦。所以他只得把它们杀死了。可能他发现遗传学的过程,也就不是关于变形蜜蜂的复杂故事,而是关于一颗圆粒豌豆和一颗皱粒豌豆的简单段子。
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