进化最大的压力是“饥饿”

基因组可以大胆地“玩转”突变，通过20世纪80年代和20 世纪90年代所进行的一系列研我们能够进一步洞悉这位豪赌者的非凡魄力。1987哈佛大学研究员约翰•凯恩斯在自然杂志上 发表一篇富于煽动性的报告，由此掀开了整个探询活动的序幕。在这份报告中，凯恩斯提出应当重新考量获得性遗传理论的价值；而正是这一理论使拉马克当年蒙受了不白之冤，饱受垢庇。这一次， 约翰•凯恩斯选择了一种已为人类宿主和其他宿主所“熟知”的细 菌——大肠杆菌作为研究对象。大肠杆菌是一类非常常见的细菌, 结构清楚，一直以来都成为微生物学家们的研究对象（尽管几个 “害群之马”零星的兴风作浪让大肠杆菌背上了可怕的恶名，但大 肠杆菌所带来的好处则要远远超过所谓种种不利。前文中，我们也 提及相应内容；实际上，在我们的消化系统中它们可称得上是任劳 任怨的模范)。

作为人体内忠于职守、勤勤恳恳的消化大军，不同的大肠杆菌有着不同的“口味”偏好。比如，其中的一种就不能分解消化来自 奶中的乳糖。对这些细菌们来说，进化最大的威胁或压力就是“饥 饿”。凯恩斯的实验正是基于大肠杆菌的这一特征进行的：以乳糖 作为营养源来培养存在乳糖消化缺陷的大肠杆菌。结果十分令人惊 奇，这种细菌通过突变获得乳糖适应特性的速度远远超出了预计的 可能。正像麦克林托克通过玉米研究得到结果一样，大肠杆菌的突 变似乎也针对基因组中特异的区域，即最易发生突变的优势区域。 通过分析，凯恩斯认为细菌可以选择性地进行突变，并能够将由此 取得的特性能力（如消化分解乳糖）传递给后代细菌。在讨论中， 凯恩斯向进化论发出了鲜明的挑战。他写道，大肠杆菌能够根据需 要选择性地进行突变，因此可能存在一种获得性遗传的相应机制。 凯恩斯的论点独树一帜。

此后，研究者们便开始陆续投入相关的研究工作中，以期能够证明、反驳，或者试图解释凯恩斯的工作。凯恩斯报告发表一年 后，一位来自罗彻斯特大学的科学家巴里•霍尔研究指出，突变率 的大幅度提高是促使细菌可以迅速适应乳糖营养环境的原因。霍尔 将这种现象称为“超突变”，其作用有点类似于人体内类固醇代谢 的突变。他认为，这种突变有助于细菌产生保存自身所必需的突 变，其速率较一般突变高大约100万倍。

1997年，后续的其他研究进一步加强了 “超突变”理论的可信度。当利用乳糖取代正常营养条件时，大肠杆菌的突变率显著提高。研究报告指出，这种突变并非只是局限于凯恩斯所观察到的乳糖适应性的改变，而是包含了针对整个基因组不同区域的多种突 变。与凯恩斯的研究相比，后续的研究结果大大丰富了可能出现的 突变类型，但更为重要的是这种突变率整体性提高的现象说明，在 一般性遗传突变束手无策时，基因组能够相时而动，重新安排调整 突变的发生。在法国国家卫生与医学研究院，由伊万•马泰所率领 的研究队伍对来自世界各地数以百计的细菌进行研究后发现，当存 在环境压力时，骤升的突变水平仿佛将这些细菌带入了进化的超时 空机器中，使其快速适应环境的变化。然而，尽管相应的支持证据 在不断增加，但针对“超突变”的讨论仍在继续。

大自然版的动态遗传工程

疯狂的玉米也好，像飞人乔丹一样的基因也好，甚至获得乳糖耐受性的细菌，其变化都利于相应生命物种的生存。但你可能会问: 这一切同我们人类又有怎样的联系呢？在我们潜入人类基因库探询答案之前，让我们先从一个公认的遗传原理——魏茨曼屏障开始来 回顾一下若干相关的遗传规则。在19世纪，生物学家奥古斯特•魏 茨曼创立了种质理论。他将人体的细胞划分为两类，即生殖细胞和 体细胞。生殖细胞所包含的信息将传递给下一代；卵子和精子是最终的生殖细胞，而胚系则包括了每个参与创造卵子或精子的细胞， 它们都来自受精后所产生的一个细胞——接合体。构成我们身体的 其他细胞都属于体细胞，比如红细胞、白细胞、皮肤细胞、毛发细 胞。只有生殖细胞的信息可由父代传递给子代，而体细胞信息则不 能；这也就是说只有卵子或精子中发生的突变能够传递给下一代， 而任何一种体细胞突变，包括血细胞突变都无法由此途径进行传递。

除此之外，生殖细胞和体细胞之间存在着魏茨曼屏障。该理论 认为，体细胞信息永远都不会传递给生殖细胞。因此，只有发生在 生殖细胞的突变才能够传递给下一代；而体细胞突变则只能退出遗 传的历史舞台。但这并不意味着胚系中的突变不能影响后代的体细胞特性。需要着重指出的是，建立和保持你身体所需的指导信息都 来自父母的胚系。所以，发生在胚系中的突变，如改变决定头发颜 色的信息，则都会影响到下一代的相应特征。

魏茨曼屏障已经成为遗传学研究的一项重要的组织原则。但一 些研究结果显示，这一理论并非如我们所认识的那样坚不可摧。某 些逆转录病毒就能够突破魏茨曼屏障，将来自体细胞的DNA转移 到生殖细胞中，下文中我们将马上能够了解到更详尽的信息。如 此，便为获得适应性的遗传提供了理论上的可行性。

这也意味着那位被张冠李戴了他人理论，蒙受不白之冤，却因此而饱受非议的拉马克才真正得到了具有价值的原创思想。

从进化的角度来看，我们最熟悉的是胚系突变，这种突变将会导致卵子或精子中出现一个新的基因，从而使后代出现某种新的性状。正如你所知，如果改变后的性状能够提升后代的生存能力或繁 殖水平，那么通过带有这个性状的个体就可以将其遗传给后代， 并最终扩散到整个群体中。与之相对应，如果新性状导致生存或 繁殖能力的下降，那么带有该性状的个体将逐渐减少，而此性状 也将在群体中销声匿迹。另一方面，突变并非仅仅局限于胚系 中。癌症就是一个最普遍，也是最可怕的例子。本质上来说，癌 症就是细胞不受控制的生长。在癌细胞中，某些原本抑制生长的 基因发生了突变，从而导致了这种恶性生长。其中，一部分癌症 能够，或者说至少部分能够遗传，如BRCA1或BRCA2基因突变 将显著增加患乳腺癌的风险，这些导致疾病的突变能够代代遗 传。而引发另一些癌症的基因突变则是由外界刺激所触发的，如 吸烟或遭受辐射。

其实，大多数突变，尤其是体细胞突变如吸烟所导致的肺细胞突变，想发挥作用并非易事。生物有机体，特别是人类，可以说件 件都是自然巧夺天工的复杂杰作，而这一点具有重要的生物学意 义;如果其中复杂的生命过程受到干扰就会造成麻烦。从定义上来 理解，突变并不一定就意味着是有害的，它只是一种不同；跳跃基因通过两个重要的途径对人类发挥有益作用，而这一认识也可能恰 恰是引领我们认识和理解这两个途径的关键所在。

跳跃基因在正常的脑发育过程中发挥着重要作用。在发育的早期阶段，这些基因十分活跃，遗传物质几乎是被随机地插人脑细胞 基因的相应位置。跳跃基因每完成一次“跳跃”，即插入遗传物质， 从技术上讲，就形成了一个突变。而所有这一切进行遗传物质的跳 跃就可以帮助创造出多样的并且富于个性化的脑，每一个都独一无 二。复杂而多变的大脑赋予了每个人不同的个性，我们由此受益良 多，这也正是为何脑发育过程中包含了大量遗传物质编辑、重构的原因。一般遗传复制和粘贴操作只发生在脑部，因为这正是我们受益的个性.但正如发现这一现象的主要研究人员所称，“你绝不会期望在你的心脏中也增加同样的个性”。

大脑中的神经网络并非是唯一需要多样性的复杂系统。身体免疫系统也选择了同样的策略。可以说，免疫系统将这种遗传多样性 的策略发挥到了极致。如果没有这样一种多变免疫系统，我们恐怕 根本无法形成一个物种存活下来；没有它，我们这个物种也将无法 存活如此之久。为应对大量威胁我们健康的潜在的入侵微生物，人 体免疫系统发展出超过100万种特异性的抗体蛋白来针对特定的侵 略者。至今，我们仍无法彻底了解产生如此之多特异蛋白的机制， 特别是当我们缺乏足够的基因来给出合理的解释时（注意，只有 20 000〜25 000活跃的编码基因，而我们面对的是超过100万种可 能性的抗体蛋白）。现在，来自约翰•霍普金斯医学院的科学家们 领导了一项新的研究，它将免疫系统产生抗体的机制同跳跃基因的

活动联系在一起。

B细胞是抗体的基本生产单位。当需要产生特异性抗体时，B 细胞在其DNA信息中寻找相应的“生产指南”；当然，这一信息 同其他抗体的“生产指南”是交织在一起的。它们从基因信息库 中将目标指南从交织在一起的“生产指南”中剪切出来，并将剩 余的信息重新拼接起来。这基本相当于重新编排了自身的遗传密 码，并通过这一过程产生特定的基因。这就是所谓的V (D) J重 组，其命名就是依据上述搜寻一剪切一拼接所出现的基因区域所 制定的。

这个过程类似于某些跳跃基因发挥作用时所采用的剪切和粘贴机制。但其中有一点关键性的区别：经过V (D) J重组后，重新 连接的链上会留下一个小环，不是完全整齐的连接。科学家们从未 在跳跃基因中见过类似的效应，但霍普金斯研究小组在普通蝇类中 发现了一个命名为赫耳墨斯的跳跃基因作用的过程类似于V (D) Jo从事该项研究的一位科学家——南希•克雷格谈到：

同已发现的任何一种跳跃基因相比，赫耳墨斯的表现都更接近 于免疫系统识别上百万种不同蛋白质的过程。这一结果第一次提供 了 一个确衡的证据来说明（抗体）多样化产生机制可能由一^个同赫 耳墨斯非常接近的跳跃基因进化而来。

一旦你的身体能够产生针对入侵者的特异性抗体，你就可以随时对他们进行调动，即一旦人侵者再次出现，抗体就能够及时给予 你帮助。在某些情况下，你甚至会产生相应免疫，就如同大多数人 出水痘的情况一样。尽管我们可以拥有发生了上述突变的B细胞， 但是这些突变却无法传递给下一代，因为它们都属于体细胞突变， 同生殖细胞之间存在魏茨曼隔离。婴儿出生后仅仅带有极少量的抗 体，所以其免疫系统必须髙效工作。在婴儿的免疫系统发育成熟并 发挥作用之前，之所以鼓励母乳喂养的原因之一就是因为母乳中含 有母亲的抗体，而喂养母乳就相当于对婴儿进行被动免疫，可以预 防感染。现在，我们才刚刚开始认识可移动的跳跃基因在生命进化 中所发挥的作用。毫无疑问，迄今为止它们所发挥的作用要远远超 越我们所了解的范围。有证据显示，至少四分之一人类基因中的活 跃编码基因都是通过跳跃基因整合到DNA中。

针对跳跃基因的作用，约翰•霍普金斯医学院的分子生物学和 遗传学教授杰夫•博克提出：

我们现在才逐渐认识到跳跃基因已经大大重塑了宿主基因组。这些改变常常可能是灾难性的，但某些情况下它们能够增加遗传的 多样性，甚或提升物种的生存能力和适应性。而在人类进化过程 中，这种重构可能已经发生了成千上万次。

现在我们已经认识到在人类的进化史上出现了许多次大规模的 环境变化。很难想象，随机、渐进的突变能够使我们迅速适应变 化，生存下来。著名的进化思想家斯蒂芬•.古尔德和尼尔斯埃 尔德雷发展了间断平衡理论，认为大规模环境变化导致了进化中不同时期的显著变化，但整个进化过程保持了一种平衡，这是进化的特征所在。的确，在进化过程中各个激烈变化的关键点上，跳跃基因就可能帮助物种来适应变化。

跳跃基因越来越像是大自然版的动态遗传工程。深人了解其发 挥作用的机制将有利于我们对自身免疫系统对抗疾病的保护机制以 及自身遗传机制如何应对环境等奥秘的揭示。由此，将可能把我们 带人一个更高的水平：通过免疫来预防疾病；恢复受损的免疫系 统；甚至在基因水平上逆转危险性突变。