自然界的“基因大盜”

李忠東

你的遺傳基因從哪兒來？一般人都會回答：來自父母。可是世界上卻有一些生物，它們為了能在極端環境中存活，或者為了獲得更強的技能，可以從其他生物體那里“偷”來生存的必要基因。

這種“偷基因”的生存策略就是所謂的“水平基因轉移”。科學家在尋找世界上最頑強的生命形式的過程中，發現了自然界這種獨特的生存策略。

為適應極端條件才去“偷”

在意大利、俄羅斯、冰島以及美國黃石國家公園沸騰翻滾的硫磺溫泉中，生活著一種溫泉紅藻。這些來自地底的溫泉，有的水溫高達56℃，而且含有大量的砷和重金屬，腐蝕性極強。大多數植物和動物都無法忍耐如此高溫，因為熱量會分解蛋白質中的化學鍵，對酶產生破壞性效果，細胞膜也會變薄破損，進而導致細胞破裂。但是溫泉紅藻卻能夠忍耐如此的高溫，實屬難能可貴。

這種紅藻生命力強大不僅體現在不懼怕高溫，還表現出超強的耐酸性，它甚至能在pH值為0的強酸環境中存活。生物體細胞內的蛋白質和酶會因酸性物質的干擾，使一些生命必需的化學反應發生混亂，而溫泉紅藻卻毫發無損。

溫泉紅藻耐鹽性和抗毒性也極高，令人驚訝。在鹽度極高的環境中，植物細胞會因太多的鹽而汲取水分困難，造成脫水枯萎，可它卻安然無恙。對于大多數生命形式來說，砷和汞等毒性物質往往是致命“殺手”，但它對這些有毒元素很不以為然。

為了揭開溫泉紅藻頑強生命力之謎，美國俄克拉荷馬州立大學和德國海因里希-海涅大學的科學家對它的基因進行了解碼分析。讓研究人員深感震驚的是，這種紅藻的生命秘密可歸納成一個字——“偷”，從其他生命形式那里“偷”來生存的必要基因，而不是從父輩那里遺傳。

在溫泉紅藻身上，研究人員一共發現了75種來自其他細菌和古生菌的基因。雖然并非所有的基因都能給它帶來明顯的進化優勢，但確實有許多可以幫助它在極端環境中生存。一種“偷”自細菌的基因能起到類似“泵”的作用，幫助溫泉紅藻有效地將砷等有毒物質從其細胞中抽走，使其擁有與汞和砷等有毒化學物質共存的能力。還有一種“偷”來的基因功能相當于“金屬運輸機”，有助于溫泉紅藻快速排出有毒金屬，同時從周圍環境中汲取有用的金屬元素。還有的基因可以確保它能忍耐高鹽度環境，逃脫因細胞內所有水分被吸光而死亡的厄運。

在極端環境中生存的絕大多數生物都是單細胞微生物、細菌或者古生菌，它們的生命形式簡單，不像其他動物具有那么復雜的生物學特征。正是得益于這種簡單性，它們能夠更好地適應極端條件，藏身于地層深處、海洋底部、永凍土中或沸騰的溫泉等最不適宜生命存在的環境中。

數十億年的進化使它們的基因已經發展到可以對付幾乎任何事物，如果有其他更為復雜的生物經過，它們有可能找到一種更為有效的進化捷徑，比如，去“偷”那些能夠幫助它們在極端環境中生存的基因。當外來的DNA融入新的主體（生物體）時，會“劫持”它的生物學系統，促進其產生新的蛋白質，從而幫助新的主體擁有新的技能。如果這種基因轉移發生足夠頻繁，就有可能將新的主體帶到全新的進化路線上。它們不用經過數百萬年的艱苦進化，能輕而易舉擁有這些生存能力。但遺憾的是，科學家還沒搞清楚它們是通過什么方式“偷取”基因的。

“偷基因”的例子可能非常普遍

這種“偷基因”的生存策略被稱之為“水平基因轉移”，這一概念是相對于“垂直基因轉移”提出的。在自然界中，“偷基因”的例子可能比人類想象中的要普遍得多。遺傳學一般關心更為普遍的垂直基因轉移，但目前的研究表明，水平基因轉移是一個重要的現象，它使生物早期的演化關系更為復雜。

雪藻是另一種會“偷基因”的生物。在極端寒冷氣候中，參差不齊的冰晶會刺穿生物的細胞膜，因此必須生成一種可以防止細胞被刺穿的冰結合蛋白。美國內華達大學科學家詹姆斯·雷蒙德繪制了這種雪藻的基因組，發現它的冰結合蛋白的基因與細菌、古生菌、真菌的某些基因極為相似。這些基因很明顯是極端寒冷環境中生存的必要基因，因為到目前為止，在所有與冰相關的藻類身上都發現有這種基因，而在較溫暖地帶任何一種藻類都沒有攜帶這種基因。這表明，雪藻就是通過水平基因轉移的方式獲取了在極端寒冷環境中生存的能力。

真核生物也不例外，在南極海冰中生存的微型甲殼類動物就是其中的例子。德國基爾大學極地生態研究所科學家雷納爾·基科發現，南極一些微型甲殼類動物可以在海冰表層的極寒鹽水中生存，為了保證自己不被凍僵，它們會生成一種防凍蛋白，以防止血液凝固。這種蛋白在其他的甲殼類動物身上從未發現過，卻與海冰藻的蛋白很相似，由此可見是通過水平基因轉移的方式獲得的。

在人們通常的概念中，光合作用只是植物的“專利”，而動物們只能靠吃掉植物來獲取光合作用所生成的物質和儲存的能量。然而一種被稱為“綠葉海天牛”的海蛞蝓體內，實現了真正意義上的“光合作用”。它依靠攝食獲取了本屬于藻類的葉綠體，將其置于自己的細胞內進行光合作用。為了讓這些葉綠體更好地工作，它甚至還“奪取”了原屬于藻類細胞核中的基因。原來綠葉海天牛的幼蟲從卯中孵化之后，會游動著尋找濱海無隔藻。一旦找到并開始啃食，它原來無色的身體在24小時內便逐漸變綠，并最終穩定下來。由此可見，這些葉綠體都是它在取食的過程中，從破碎的濱海無隔藻細胞中“提取”出來的，并放置于消化道細胞之中。

綠色的綠葉海天牛只要在有光的條件下，就能“忍饑挨餓”長達10個月。科學家通過測定，發現它和植物一樣能夠進行二氧化碳的固定和氧氣的釋放。綠葉海天牛獲取這些葉綠體的真正目的，就是依靠它們來進行光合作用，并讓自己能夠利用光合作用的產物，成為動物界中獨樹一幟的“真·光合作用動物”。

因此科學家認為，“偷基因”可能是自然界一種非常普遍的進化策略。雖然物種進化一直在進行，但“水平基因轉移”或將讓進化的步伐邁得更大一些。

鏈接：

垂直基因轉移指生物從其祖先處繼承遺傳物質，即親代傳遞給子代。

水平基因轉移指生物將遺傳物質傳遞給其他差異生物或單個細胞而非其子代的過程。這里的差異生物個體可以是同種但含不同的遺傳信息的生物個體，也可以是遠緣的，甚至沒有親緣關系的生物個體。