首页 > 创意发现 > 从“生命之树”到“生命之网”

从“生命之树”到“生命之网”

编者按:

150多年前,达尔文提出进化论后,给教廷以及世俗社会带来全新的认识,尽管围绕着进化论,争辩、质疑甚至斗争至今不绝如缕,但自然界仍以“生命之树”上的法则固我前行。

随着本世纪初人类基因组计划的成功实施,生命以一种全新的视角展现在我们的面前。基因的平行移动让生命体从酵母到果蝇,从小鼠到人类,无论是低等生命,还是万物之灵长都紧密地维系在一张“生命之网”中。

在这张无形之网中,生命体并非是进化论中提及的完全独立的个体,而是彼此相互交融。这种全新的认识让我们失去了“生命之树”的路标,能否从“生命之网”中理出前行的方向?重新认识自己。

winter-1971642_960_720

从“生命之树”到“生命之网”

作者:吴家睿(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所)

责编:叶水送

20世纪中叶,美国进化遗传学家杜布赞斯基(Theodosius Dobzhansky)曾经这样评价过进化论,“只有从进化的角度才能解释生物学的事件”。英国生物学家达尔文提出的进化论到今天已有150多年,我们不妨依据此话,也从进化论的角度来看一看科学家对生命的认识吧。

伟大的科学家都具备一种能力,能把世界万物都统一在一个框架里。化学家门捷列夫利用元素周期表整理了所有的化学物质;物理学家爱因斯坦则在相对论的基础上使物质与能量之间划上了等号。同样,作为世界上最伟大的生物学家之一,达尔文通过自然选择学说将所有的生命形式纳入到同一个起源。在他的进化论里,不论是天上飞的鸟、还是地上跑的兽、或者是水里游的鱼;不论是肉眼看不见的细菌、还是没有感觉的植物、或者是万物之灵长的人类,统统来自同一个远古的祖先。

据最新的研究发现,达尔文在发表《物种起源》的两年前——1837年,在日记里就第一次用一棵假想的树勾画了物种的进化方式。在这棵“生命之树” 上,树干的底部代表最原始的物种,而沿着树干向上则形成了许许多多的分枝,分别代表了由最初物种演化而成的不同阶段的新物种。“生命之树”的概念很快就成为了达尔文进化论的标志。

“生命之树”对现代生物学的重要性在于,它建立了一个“公理”:从病毒到植物到人类的一切有机体,不论从形态上看有多么大的差别,其基本的物质构成和活动规律应该没有本质的差别,因为它们都是从同一个祖先逐渐演化而来的。

显然,20世纪的现代生命科学的各门学科如分子生物学和遗传学等都是建立在这个“生命之树”的“公理”基础之上。例如,在遗传物质的发现进程中,奥地利科学家孟得尔通过对豌豆的研究提出两个基本的遗传定律;美国生物学家摩尔根在研究果蝇的基础上提出了第三遗传定律;而美国化学家艾弗里则通过研究肺炎球菌证明遗传物质的化学本质是DNA;随后美国细菌遗传学家德尔布鲁克和卢里亚研究的主要是病毒——噬菌体;而美国科学家沃森和英国科学家克里克用来揭示DNA双螺旋模型的X衍射图则来自小牛胸腺的DNA样品。尽管这些科学家研究的生物材料之间没有一个是相同的,但是从这些特定的研究材料中获取的每一项研究成果都被“放之四海而皆准”,适用于所有的有机体,构成了遗传学和分子生物学的基本定律。也就是说,研究者在研究某一种生物学材料获得了某种成果后,其成果通常都可以作为基本规律外推至不同的物种;而人们接受这种外推原则的基础就是“生命之树”。

从“生命之树”衍生出来的这一公理不仅是现代生物学的基础研究必不可少的,而且也是现代生物学的应用研究所离不开的。当研究者在采用遗传工程技术改造生物体时,一个必要的前提是,通过质粒引入的外来遗传信息和生物体自己内部的遗传信息是一致的,而且可以被体内的复制机器或者翻译机器所利用。当生物医学工作者在用酵母、线虫、果蝇、老鼠这些模式生物研究致病基因或者蛋白质时,他们一定相信,在这些物种上研究得到的成果也应该适用于人类。

随着科学研究的不断推进,尤其是上世纪末启动的“人类基因组计划”的完成,21世纪的生命科学进入到了一个 “后基因组时代”。到2007年年底,已完成或正在进行全基因组研究的物种有1821个,其中包括1497种原核生物和324种真核生物。在这样一个“后基因组时代”,进化论也有了一个新的发展,即通过比较基因组学,研究者能够在众多物种全基因组序列的基础上去研究物种在进化上的关系和规律。

出乎人们的预料,通过比较物种间全基因组序列,“生命之树”遭受到了许多挑战。最大的挑战来自基因平行转移(Horizontal gene transfer, HGT)现象的发现,即分类关系相隔极远的物种间存在着遗传物质的交换。例如,在人类基因组中,有200多个基因来自细菌基因组,可是在其他真核生物物种的基因组中都没有发现这些基因。我们知道,达尔文进化论的“生命之树”是植根于这样一个假设:遗传物质只能按照从亲代到子代的方式,一代一代地进行垂直传递。可是,基因平行转移现象的发现提示我们,这一假设可能是不正确的。

达尔文进化论的核心问题是“物种起源”。在达尔文看来,物种的形成需要建立没有遗传物质交换的生殖隔离;由于遗传物质的垂直传递机制存在,从而实现了生殖隔离。因此,自然界中远缘杂交应该是非常稀少的。然而,今天的比较基因组学对细菌、动物、植物基因组的比较却描绘了一幅全然不同的图景,显示出异种间的远缘杂交要比人们原来想象要多很多。如果再将基因平行转移等情况结合在一起,我们发现,自然界的各种物种之间并非构成一个具有清晰的遗传递呈关系的“生命之树”,而是一个杂乱无章、相互高度缠结的“生命之网”。

显然,在上一个世纪,达尔文的“生命之树”曾经是一个很好的研究指南,研究者依据它把形态万千的有机体组成了一个井然有序的生物世界,根据还原论的指导开展实验科学研究,并将从一种生物体研究获得的结果线性地推广至整个生物界。然而,21世纪出现的“生命之网”却为人们刻画出一个复杂的生物世界,在分子、细胞、个体等不同层次有着不同的活动规律,在不同的物种之间的生物分子的活动与功能不能简单地划上等号。研究者需要新的思维方式,要从线性的简单性思维转变到非线性的复杂性思维;研究者需要新的研究思路,要从单一的局部分析方法走向整合了局部分析与整体综合的系统生物学策略。

也许对当前的研究者而言,最大的挑战是,如果在老鼠身上验明正确的理论不适用于人类,理论的出路在那里?换句话说,如果失去了“生命之树”的路标,人们能否从“生命之网”中理出前行的方向?

文章来源:原载于《科学》杂志2009年第2期,略有修改

原文链接:http://www.duyidu.com/a161163794

本文版权属于有机会(www.yogeev.com)或者相关权利人享有或者共有,未经本公司或作品权利人许可,不得任意转载。转载请以完整链接形式标明出处,商业使用请联系有机会

本网转载文章旨在传播有益信息,如果本文及其素材无意中侵犯了您的版权和/或其它相关知识产权,请及时联系我们,我们在核实后将在第一时间予以删除。