跳躍的基因 （下）

費里斯·賈布爾

這種特殊的基因似乎游刃有余地在微生物世界中游走多時，然后一縱身，橫向跳進那些和不同種細菌生存關系密切的病毒、植物、真菌和昆蟲當中。

最近，在研究一種捕食沃爾巴克氏體的病毒時，來自田納西州范德比特大學的詹森·梅特卡夫和塞斯·波登斯坦發現了橫向基因轉移界的拿破侖：一個征服了所有生命王國的小基因。通過一種叫作GH25-胞壁酸酶的基因，病毒攻擊并殺死沃爾巴克氏體，這種基因編碼可以攻破細胞壁防線的溶菌酶。當詹森·梅特卡夫和塞斯·波登斯坦追蹤GH25的進化譜系時，他們發現了一種完全不典型的模式。GH25基因散布于整個生命之樹中，在細菌、植物、真菌和昆蟲中均存在。這種特殊的基因似乎游刃有余地在微生物世界中游走多時，然后一縱身，橫向跳進那些和不同種細菌生存關系密切的病毒、植物、真菌和昆蟲當中。“每一種生物都需要和細菌抗爭，”詹森·梅特卡夫說，“如果它們能夠獲得一種新的抗菌防御，那將是一個巨大的進化優勢。”

有關橫向基因轉移，輪廓最鮮明的故事要屬真菌和豌豆蚜。一些真菌、植物和細菌具有編碼類胡蘿卜素的基因，而類胡蘿卜素是一種非常多樣化而且具有顏色的分子，它們參與的生物過程從光合作用和細胞分裂， 到生物偽態和性吸引， 幾乎無所不包。但之前人們在動物當中還從來沒有發現過這樣的基因。在所有已知的例子當中，動物需要從它們的飲食當中獲取類胡蘿卜素，比如火烈鳥的粉色和紅色，就是通過攝取浮游生物獲得的。2009年，當時還在亞利桑那州立大學工作的進化生物學家南希·莫蘭，意外地發現了豌豆蚜具有類胡蘿卜素基因。

紅色豌豆蚜與綠色豌豆蚜

科學家已經知道，豌豆蚜的身體根據體內所含類胡蘿卜素的類別不同而呈現出不同的顏色，并且能夠通過響應某種威脅而將整個群體的顏色進行轉換：綠色的豌豆蚜對寄生性黃蜂更敏感，紅色的豌豆蚜對瓢蟲更敏感。但是這些色素的起源一直是個謎。蚜蟲主要靠吸取樹汁生活，其中并不含多少類胡蘿卜素，并且豌豆蚜體內所含的類胡蘿卜素種類繁多，與它們食用的植物中所含的類胡蘿卜素非常不同。當莫蘭把蚜蟲體內的色素基因與很多其他物種進行比較時，最相近的基因來自真菌。在2.7億年前，一只蚜蟲可能從真菌中獲得了類胡蘿卜素基因：或許是它正在侵染的真菌，或許是它正在咀嚼的那個。此后，又有科學家發現蜘蛛螨和癭蚊同樣從真菌和細菌那里獲得了類胡蘿卜素基因。

如果將生物界比作一棵樹，那么無論你搖哪一根樹枝，都會有令人驚嘆的跨物種基因轉移的例子像樹葉一樣落在你腳下。蛭形輪蟲——一種長得像海蛞蝓的微小半透明動物——用來自細菌、真菌和植物的基因構建了自身基因組的8%;生活在冰冷海水中的魚類換來編碼抗凍蛋白的基因;花型碩大的大王花跟它所寄生的植物交換基因;在日本，有些人的腸道細菌從存留在海草沙拉里的海洋細菌中竊取了海草消化基因。

發現真核生物中的橫向基因轉移，并不需要我們對標準的進化理論進行大修，但我們確實需要做一些重要調整。

到目前為止，這種基因跳躍現象已經多得無法忽略了。科學家無法再將真核生物之間、原核生物與真核生物之間的基因交換說成是不重要的了。很顯然，基因在生物界的不同門類中各種穿越：有時是大規模突然一躍，有時則是千年尺度上的緩步前行。誠然，很多這種旅程都是無果的：一個轉位的基因會發現自己在新的宿主中完全派不上用場，或者成為與它相鄰的基因元件的掃把星而遭到驅逐。旁系轉移的基因可以是混亂的惡魔，把基因組打亂或者重組并導致災難性的后果。然而，徒步前行的基因卻可以讓自己開始新生活，獲得足夠的成功，并能進一步影響生物體的存活方式，引導其進化。

發現真核生物中的橫向基因轉移，并不需要我們對標準的進化理論進行大修，但我們確實需要做一些重要調整。根據教科書上的進化理論，生物體之間轉移基因的主要方式是親本傳遞，無論是無性克隆還是有性繁殖，都不是這種在無關聯的生物體之間配送基因的鬼祟行為。現在我們必須承認，即使是在最復雜的生物體中，垂直基因轉移也不是唯一的基因轉移方式。

與此相似，標準理論認為突變只能在一個物種自身的基因組中發生，而不能完全源于另一個地方。我們現在知道， 新基因的產生并不一定源于自身原始DNA的調整，也可能是因為遠客的到訪。“我們需要開始把基因組看成生態單位而不是孤立單位，”紐約羅徹斯特大學的杰克·沃倫說，“我們正在面對的是一個全新的范疇，其中有獨特的基因進化。”

在某些案例中，這種遺傳上的跳房子游戲“可以產生一股非常強大的進化力量，”李說，“它可以引入由逐漸積累的基因突變無法獲得的全新遺傳特征。”想想看，一種植物從細菌那里，或者一只蚜蟲從真菌那里獲取基因，不是接收了開發進程當中的基因原型，而是獲得了自然選擇在其他生命體中孕育打磨了億萬年的強大基因。新轉移的基因想跟自己的新鄰居完全同步，可能還需要一些調整，但是這比從頭開始由細胞分裂或者因紫外線輻射導致的突變產生一個新基因要快得多。橫向基因轉移開啟了生物體快速獲得自身無法制造的基因性狀組合的可能性。

旁系基因轉移也可以通過更加細微的方式影響進化。某些種類的轉移基因可以自身復制很多次，留下很多大小不一的片段或者完整的復制子。在這一過程中，它們可以對原本的DNA進行大片段重組，改變某些基因的表達方式，或者在這種重排中創造全新的基因。通過將宿主基因組擴大和多樣化，這些基因移民增加了復制和編輯錯誤的概率，其中一些可以引發偶然現象，導致進化加速，就像在棕蝙蝠身上發生的那樣。

一股頑皮的風仍舊把DNA吹得遍地都是，在生命之樹的各個樹枝之間游歷。

我們可以通過重新構想生命之樹來將傳統進化法則和這些多種多樣的研究推論結合起來。在經典的教科書中，生命之樹由一個樹干發出三大界——細菌、古菌（類似細菌但是其遺傳學和分子生物學特性不同）以及真核生物。這三大界再分支形成所有已知的物種。每一種曾經存活過的生物都可能“起源于某種原始形態”，這是達爾文在1859年對它的描述。從表面來看，基因應該通過樹干向上流動。

伊利諾伊大學的福特·杜利特爾和卡爾·沃斯認為，這種對生物界的劃分過于簡單。他們認為，與其說生命起源于某個單一的樹干，不如說建立在一個互相交錯的根系之上。他們認為，所有的生命都起源于一個原始細胞組成的幾何體中激烈的DNA交換。對只具有少量基因的簡單原始細胞來說，交換DNA 是獲取和保存最佳環境適應性的絕好策略。

沃斯指出， 在某個節點處，細胞達到了復雜度閾值，再接受外源基因的頻繁轟擊就具有毀滅性危險。一個只具有小組基因的原始細胞可以通過向自身的遺傳系統中增添新基因獲得很多好處，但是具有成千上萬基因的更加復雜的細胞，這樣做就可能會使自己通過長期自然選擇協調好的精密基因組平衡被打破。所以，復雜真核細胞進化出了保護DNA 和去除外源遺傳物質的機制。

然而，在過去10年的研究中，橫向基因轉移并沒有在真核生物和微生物之間停止。一股頑皮的風仍舊把DNA吹得遍地都是，在生命之樹的各個樹枝之間游歷。沃爾巴克氏體、豌豆蚜和角苔都鼓勵我們接受這樣一個事實，它一開始讓人心緒不寧，但最終會將我們引入地球上所有生命的共同體。

面對這個事實，我們不能再佯裝不同物種間的基因混合是一種非自然現象，是由我們帶著乳膠手套的手操作不當而產生的某種存在。

人們普遍認為，一個物種的DNA不應該與另一個物種的相混合。這種信念在關于轉基因作物的辯論中顯得格外清晰。 對立方頻繁提出，科學家在不同物種間制造出的這種基因轉移，不應該在實驗室之外存在。把一個小麥基因導入一顆栗子樹，把一個細菌基因導入玉米，或者把魚的基因導入土豆，這些都是非自然的。這些對基因混合的粗淺誤解就像喪鐘一樣不斷長鳴。

但遺傳組成的這種改變在自然界中確實是存在的。遺傳物質的跨物種重組在自然界中發生的概率遠比我們意識到的要高。單憑這一點并不能讓轉基因食品更讓人青睞，僅僅因為某些東西在自然中可以不借助人力而存在并不意味著它的本質是好或是壞。然而，面對這個事實，我們不能再佯裝不同物種間的基因混合是一種非自然現象，是由我們帶著乳膠手套的手操作不當而產生的某種存在。我們沒有發明基因轉移，是DNA自己發明的。基因考慮的事情只有一件：自我永續。如果這種保存需要某個特定基因適應一個它從來沒有遇見過的基因組，如果通過寄生蟲從一個物種傳遞到另一個被證明是極其成功的保證延續的方式，那就這么定了吧。物種之間的屏障或許可以保證基因組的完整性，但當一個單獨的基因擁有通過突破這些屏障發展自己的機會時，它是不會猶豫的。

這就是DNA 的特點：它只忠于它自己。我們傾向認為，一個物種的基因組就屬于這個物種。我們對自己的基因具有強烈的所有權意識，就算我們的基因組與其他生物相重疊，也仍舊是獨特的，是“人類基因組”。我們的占有欲是如此之強，以至于“將我們的DNA與其他生物的相混合”這種想法會立刻引起我們的反感。然而，對DNA而言，物種之間的這堵墻并沒有那么不可逾越。在生命之樹的樹枝上，我們不再像原始細胞那樣浸在相互交纏的樹根之間古老的公用水體里，但是我們無法逃避吹來的會合之風。即使在今天，就像最開始那樣，我們的基因并不完全只屬于我們自己。