2012年高中語文暑假科技文閱讀素材之身邊的科學(xué)(二)進化不可逆素材

1、用心愛心專心1進化不可逆達爾文的進化論可以解釋現(xiàn)代生物因何多姿多彩。與此同時，一些科學(xué)家也琢磨著這一進程是否會逆轉(zhuǎn)，動物們能否找回昔日所遺棄的特征。19 世紀(jì)的古生物學(xué)家認為不可能，然而他們也沒有可靠的證據(jù)。證據(jù)直到今天才終于浮出水面。150 年前，達爾文經(jīng)過多年潛心思考，發(fā)表了著名的進化論，震撼了整個科學(xué)界， 生命的歷史從此改寫。達爾文首 次用大量例證表明，各個物種都在適應(yīng)環(huán)境的過程中不斷 進化著，并且他還歸納了進化方式：物競天擇。不過他沒有告訴我們，在進化過程中，物種是否會重新找回已經(jīng)失去的特征達爾文是嚴格按照歷史順序來闡述其理論的，從見證遠古物種的化石，直到生存在當(dāng)下的物種。但是，只要稍

2、稍留意就能發(fā)現(xiàn)問題。包括人類在內(nèi)的哺乳動物的共同祖先， 最早是從水里上岸后成為陸生動物的。而我們知道，其中的一些，如鯨類，就重新返回了水中。難道進化還能“兜圈子”，就像錄影帶可以倒回去重放？1893 年，比利時古生物學(xué)家路易多洛(Louis Dollo)的回答是“不能”。他認為在進化的某一分枝中消失的器官不會再以相同的形態(tài)出現(xiàn)。這一觀點是他在對恐龍和脊椎動物化石進行了 10 多年研究后提出的，被稱為“多洛定律”或“進化的不可逆法則”?？墒?往往看上去越是明白的事情求證起來就越麻煩，如何證明進化是單向的？ 一個多世紀(jì)以來， 隨著進化論的不斷發(fā)展，生物學(xué)家與遺傳學(xué)家無不試圖攻克這一難關(guān)，卻始終未能

3、如愿。個別學(xué)者， 如史蒂芬杰古德(Stephen Jay Gould),為多洛定律提供了有利證據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，鯨類其實是滿足進化的不可逆法則的。19 世紀(jì)的博物學(xué)家們就已經(jīng)知道鯨類的鰭和它們的遠親魚類完全不一樣。鯨的祖先作為最早的四足動物之一，在離開海洋時，并沒有將它們的鰭妥善保存下來以備日后重派用場不錯，一旦走上陸地，它們就適應(yīng)了新的環(huán)境，而后又重 新適應(yīng)了水環(huán)境，但以一種全新的方式一一保留了肺而不是找回鰓。徒有其表相反，其他例子就比較模棱兩可了。2003 年，多洛定律最嚴重的危機之一終于爆發(fā)。美國生物學(xué)家邁克爾懷廷(Michael Whit ing)注意到，竹節(jié)蟲在其進化史中曾多次失去又找回

4、了翅膀！而與鯨類不同，它們的生活環(huán)境并沒有改變， 無法為這種看似進化中的“搖擺” 現(xiàn)象提供解釋。邁克爾懷廷由此認為， 這些昆蟲可能在幾百萬年的漫長歲月中保留了長翅 膀的官能。然而，發(fā)生在竹節(jié)蟲身上的奇特現(xiàn)象卻也證明不了什么，因為對于其幕后機制我們 一無所知。在生物學(xué)研究中，羅列正反案例毫無用處，它們只是深層過程的外在表達而已， 沒有任何理論意義。若要 弄清其中原委，就要更進一步，深入生命的核心，拷問那個令達 爾文徒勞地尋找終生的最后一環(huán)：基因組。蜷縮在細胞中的 DNA 是唯一展現(xiàn)進化狀態(tài)的生命物質(zhì)。它就像一部鴻篇巨制，用僅以4 個“字母”（堿 基）組成的“單詞”，記錄著我們的用心愛心專心2遺傳

5、信息，這些內(nèi)容在很大程度上決定了人類成為今天這樣的生物。換一個“字母”就會改變“單詞”，就有可能使其所在的“句子”失去原有的含義，或是獲得新的含義。在語言中，我們把這稱作“文字錯誤”，在遺傳學(xué)上，則叫做變異一一這是進化最有力的武器，現(xiàn)代生物種類的多樣性就來源于此。而尋找DNA 的“文字錯誤”正是生物學(xué)家最 主要的工作之一，隨后他們就會把這些變異與生物體可觀察的軀體變化一一聯(lián)系起來。他們尤其鐘情以果蠅為對象進行這項工作，一方面因為對它們十分了解，另一方面 因為這種小蒼蠅繁殖速度超快。幾年來，亨瑞克特奧托尼奧（He nrique Teoto nio） 的小組一直關(guān)注著多洛定律在這個實驗室明星動物身

6、上的表現(xiàn)。他們將一組果蠅置于多種生存環(huán)境中（改變食物豐盛程度、溫度、光照和濕度）世代繁殖，以使自然選擇發(fā)揮作用，從而對 與繁殖和耐饑餓能力有關(guān)的新陳代謝變化進行研究。結(jié)束這第一階段后，研究人員又將果蠅放回原始環(huán)境中生活了 50 代，以使它們“逆向進化”。這次則對它們的基因組，尤其是3號染色體上的基因，進行了仔細的排查。 結(jié)論很明確。表面上，果蠅找回了它們祖先的體征， 然而對基因的研究卻揭示了多處不同，同一基因出現(xiàn)了許多變體（等位基因），若干堿基被取代。這說明進化依然在不斷向前，而沒有倒退?；氐綇那霸撗芯坑?2009 年初發(fā)表，它明確指出在基因?qū)用?，進化過程完全不像人們?nèi)庋鬯姡瑳]有所謂的倒退，

7、“進化”這個詞當(dāng)之無愧。這為多洛定律的論證開了個頭，但還有一個大大的問號一一為什么？在科學(xué)研究中很少見的是，這問題沒拖多久，到了9 月份就有了答案。一切都拜機緣所賜，美國生物學(xué)家約瑟夫桑頓（Joseph Thornto n） 可說是無心插柳。其實，他研究的并不是單一物種整個基因組內(nèi)產(chǎn)生的變異，而是進化過程中某個共有基因在多種生物體內(nèi)發(fā)生的變異。換句話說，他找的不是某一組果蠅基因組內(nèi)的“文字錯誤”，而是在多個物種一一魚類、人類、鼠類等身上，尋找某個特定“單詞”的不同寫法。這是分子生物學(xué)的經(jīng)典手法：通過對比，“回溯”至某一基因可能的最初形態(tài)。約瑟夫桑頓當(dāng)時關(guān)注的是編碼糖皮質(zhì)激素受體（GR）的基因。

8、該受體使脊椎動物得以固定皮質(zhì)激素，從而減緩緊張。因為正如一本書中出現(xiàn)的文字錯誤會在其再版時繼續(xù)出現(xiàn)，發(fā)生基因變異的生物體會將這一變異傳給下一代。例如，只出現(xiàn)在靈長動物身上的變異定然源自它們的共同祖先。而了解各大類動物分化時間的進化生物學(xué)家們便可據(jù)此為基因變異斷代。通過這一方法，約瑟夫桑頓“再現(xiàn)了 4.4 億年中歷代 GR 基因的形態(tài)，并采用分子操作技術(shù)還原它們的進化軌跡”，推斷出它們 的功能。困于現(xiàn)在好戲還在后頭。約瑟夫桑頓還使用了另一項同樣為生物學(xué)家所青睞的技術(shù)：收集目標(biāo)基因編碼的蛋白，并通過結(jié)晶學(xué)方法和X 光確定其空間形態(tài)。他率領(lǐng)研究小組重建了GR 的現(xiàn)代版和始祖版，并比較了兩者的結(jié)構(gòu)。他

9、們首先發(fā)現(xiàn)，4.4 億年前的 GR 能識別很多荷爾蒙，皮質(zhì)激素還算不上它的摯愛。其次，從始祖版GR 直到出現(xiàn)于 4000 萬年后的現(xiàn)代GR 該蛋白一共發(fā)生了 37 次變異，而只有 7 次才真正導(dǎo)致了變化， 其余 30 次對該蛋白的功 能沒有產(chǎn)用心愛心專心3生任何明顯影響。 為了弄清新老 GR 勺轉(zhuǎn)化過程，研究人員決定以新 GR 為母本，再 造始祖版的 GR于是他們?nèi)憩F(xiàn)代 GR 基因，然后“除去”那 7 處產(chǎn)生了作用的變異結(jié)果令人目瞪口呆：經(jīng)如此改造的 GR 基因未能合成功能健全的始祖蛋白?！拔覀冊斐龅氖且粋€百無一用的死蛋白?！奔s瑟夫桑頓講述道。 怎么會這樣？或許在余下的、因?qū)Φ鞍坠δ軟]有影響

10、而被排除的30 次變異中，某些還是起到一定作用的，“就像分子閥門，阻止蛋白恢復(fù)之前的形態(tài)”一一專家如是推測。但這種初看“無效”的變異是如何做到這一點的呢？研究人員比較了重建的始祖蛋白和真正的始祖蛋白，發(fā)現(xiàn)了5 個結(jié)構(gòu)差異（分子排列），它們是由 30 次變異中的 5 次決定的這一出乎意料的發(fā)現(xiàn)說明，某些看來“中性”的變異的確從物理上阻止了蛋白恢復(fù)原始形態(tài)。為了更好的理解這一作用方式，約瑟夫桑頓建議把基因（或其編碼的蛋白）想象成一間改變了布局的臥室：床和衣柜被挪開，在它們原先所處的位置放了一盆植物和一盞燈。臥室還是臥室，但不移走添置的物件就無法使其恢復(fù)原樣。對于 GR 也是同樣道理，光處理重大變異而不顧小的一樣回不到原始狀態(tài)。于是我們便涉及了這一機制的要點所在：出現(xiàn)的“中性”變異之所以能被保留，是 因為它們沒有影響到蛋白的功能。既然“無效”，自然選擇就無從發(fā)揮，只當(dāng)它們不存在， 既不會改變它們，同樣也無法使蛋白恢復(fù)原來形態(tài)！要讓基因回到初始形態(tài)并編碼始祖蛋 白，除非出現(xiàn)天大的巧合，發(fā)生一連串變異，恰好恢復(fù)基因的原始面貌一一而從統(tǒng)計學(xué)角度 看，這種概率是零。 換句話說，在進化中，蛋白發(fā)生其他變化的可能性比回到從前沒有留下 任何痕跡的老