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随笔 18 道金斯 生物演化的逻辑 2 基因复制与自然选择

随笔 18 道金斯 生物演化的逻辑 2 基因复制与自然选择

作者: 魔鬼的小牧师 | 来源:发表于2018-05-04 13:45 被阅读46次

    道金斯认为,DNA是任何累积选择过程必要的基本要素。首先道金斯区分了混合遗传和粒子遗传的区别,简单来说,混合遗传就是子代的性状是父本和母本性状的混合,它的后代再也分不出那是父本性状或母本性状了。粒子遗传就是我们从亲代接受的遗传是以分离的粒子形式进入到受精卵中,对于一个特定遗传粒子来说,我们不是从亲代得到,就是没有得到。

    道金斯接着论述,DNA与RNA性质,用计算机来做比喻,计算机的内存分为ROM与RAM两种,ROM的性质是只能写入一次,可是能读取很多次。至于RAM,它是既能够写入,又能够读取的内存。DNA就是ROM,任何一个生物体,身体里的每一个细胞的DNA都是烧入的,终身不变,但是偶尔发生函件的随机退化倒是不无可能。DNA上的基因,在涉及任何一种行动之前,都得翻译成另一个媒体上,首先,DNA上的基因得翻译成RNA,RNA再翻译成另外一种不同的聚合体,也就是多肽或者蛋白质,然后发挥作用。

    我们所看到的头发的颜色,眼睛的颜色,头发的卷曲程度,侵略行为的强度等等性状都被称为基因的表现型,也就是DNA通过上述过程影响生物体的具体表现。

    接下来道金斯开始论述基因复制出错的问题。这里的错误并没有任何贬义,它是相对于样本而言的,利用河狸作为例子从微观来看基因复制出错的意义,河狸的一个突变基因,只不过是一个字母的复制出错,这个改变发生在基因G,随着河狸的发育长大,改变的字母同其他字母一起被复制到所在的细胞里,它被读取以后,就被翻译成RNA,那些RNA的工作复本就开始工作,生成了蛋白质,并且进入细胞膜,由于先前的改变,细胞膜的生产速率改变了,与某些发育中的细胞彼此相连的情况也改变了,大脑里的某一部分的神经回路也改变了,这就是DNA中某一小部分复制出错导致的间接的,放大的后果。

    基因的变化(突变)只要影响自我复制的概率,就会受到自然选择的筛选,保留有利于在当下环境生存的变化,淘汰掉不利于在当下环境生存的变化。

    生命的起源究竟是什么?

    道金斯利用生物演化论的理论认为,在生物演化的过程中,运气,偶然扮演着极其次要的角色,复杂生命体出现的唯一方式是累积选择,而累积选择只要上路了,那么演出出智慧生命那就是必然的事情。但是初始状况是如何的呢?这里介绍了2种理论,第一种是太古浓汤理论,第二种是无机矿物质理论。

    一,太古浓汤理论,生命出现前,地球上是没有氧气的,大气中的化学原料只有水、二氧化碳、甲烷、氨气、氢气、硫化氢等气体。一些化学家曾经试图模拟原始大气的条件:把这些简单的物质放在一个烧瓶内,并提供紫外线或电火花之类(模拟阳光和闪电)。几个星期后,在瓶内会发生一些有趣的变化,甚至出现了氨基酸、嘌呤、和嘧啶。“原始汤”就是30亿到40亿年前的海洋,有机物受到紫外线或闪电的影响,逐渐合成一些大分子,到了某一时刻,一个可以复制自身的分子偶然形成。这种可能性微乎其微,但是在漫长的时间跨度中,没有什么不可能。你每天买一张彩票,100年也不太可能中头奖,但是如果十亿年来每天买呢? 

    这种可以自我复制的分子一旦出现,就会不断地复制自己,不断地在原始汤中扩散自己的副本,但是在复制的过程中,会产生错误,这些复制错误使进化成为可能。每次复制错误使后代产生微小的差异,这些差异有的会增加后代的生存率,有的会降低后代的生存率。那些增加生存率的“错误”就会代代相传,成为新的主流。同时,各种不同品种的复制分子也形成了。 

    在一定区域内,资源是有限的,这些不同“种族”的复制分子必须“争夺”资源,这些资源可能是用来复制自身的小构件(碱基、氨基酸等)。因此,“攻击”其它种族,或“保护”自己也成为了提高生存率的有效策略。注意,这里使用的“攻击”或“保护”并不是说复制分子有这样的主观意识,而是说复制错误突变出的攻击能力和防御能力会增加复制分子的生存率。而这种突变是完全随机的,不受主观控制。 

    于是,有些复制分子会通过化学途径分裂其它品种的复制分子,有的会利用蛋白质把自己裹进去,从而保护自己。复制分子为自己创造了赖以生存的运载工具:生存机器,最原始的生存机器也许仅仅是一层蛋白质,经过亿万年的竞争,生存机器的结构越来越复杂,体积越来越大。时至今日,他们早已放弃在海洋中的生活了,而是寄居在庞大的生存机器中,通过复制,转录,翻译,与外界建立联系,操控生存机器,操纵外部世界。

    二,无机矿物理论,这是化学家卡林斯 史密斯提出的,他认为,地球上最早的生命,源自具有自我复制能力的无机化学晶体,例如硅酸盐。而有机复制子乃至现在的DNA,不过是后来居上、取而代之的篡位者。

    所谓晶体,是大量原子或分子有秩序的固态组合。一方面,原子与小分子会自然地以固定而有秩序的方式结合起来,那是因为它们有些我们可以称之为“形状”的性质;另一方面,晶体内任意部分都与其它部分完全一样——只有出现瑕疵的地方例外。 

    那么晶体又怎么能称得上是称职的复制子呢?让我们来逐条对比一下。

    第一,晶体可以复制自己的结构吗?比如食盐(氯化钠)溶液中,钠离子和氯离子混杂在一起,但食盐晶体中二者却紧密整齐地穿插排列,形成90度的夹角。那么当我们把一粒小食盐晶体扔到食盐饱和溶液中时,析出的晶体会保持和原来一样的形状和构造吗?答案毫无疑问是肯定的——溶液中游离的离子一旦撞上晶体坚硬的表面,就会嵌在那里;同时它们嵌在那里的方式,恰好能够在晶体表面形成一个新层,结构与原来的表面层一模一样。就这样,晶体一旦形成,就会成长,每一层都与原来的表面层一样。晶体不是无限增大的,每当晶体到达一定的体积,就会碎裂成小块,然后每个小块自己去形成新的表层——这难道不是播撒的种子、不是繁殖吗?

    第二,晶体在复制的过程中会偶然出错吗?晶体或者矿物质在地球上存在多种多样,如果你有机会在电显下观察它们的结构,绝对会为这数学般美丽的设计惊叹不已。但是,几乎所有自然形成的晶体都会出现瑕疵。可以想见,瑕疵一旦出现,要是新的晶层在瑕疵层上出现了,通常会复制那个瑕疵。而等到这些有瑕疵的晶体破碎了,形成新的晶体,每个新生晶体都会“继承”亲代的瑕疵模式。

    第三,对于矿物晶体,“力量”有什么意义呢?它们是否会有某些性质影响自身的复制前途,提升自己在大地上散布的机会呢?对于自然界中的矿物晶体,河、溪、地下水就是它们的溶液,是上游岩石风化后溶入水流的。这些物质在下游处,要是条件适当,就会从溶液中结晶出来,形成矿物土壤。那么让我们假设有一种矿物,它可以淤积成堤,提高自身的沉淀机会,当然这性质来源于它结构上一种独特瑕疵造成的无意结果。在任何河流中,只要有这种矿物粘土存在,淤堤上的水流就会成为静滞的浅水池,河水的主流就会岔开,另辟河道。任何一条河流只要恰好被这种矿物“感染”了,一路上就会出现许多这样的水池。好了,由于河流改道,旱季中浅水池很容易干涸,于是矿物土壤干燥后,在阳光下龟裂,表层破碎后随风飘扬,成为空气中的灰尘,每粒尘埃都“继承”了亲代特有的瑕疵结构,就是造成河流淤塞的那种性质。这些尘埃随风飘荡,可以来到很远的地方,掉落在一个从来没有被感染的河流里,于是再度开始一整个沉淀、淤堤、干涸、随风飘走的循环——这就是生命。我们甚至可以再假设,在这种矿物的某一个子代中,出现了新的瑕疵,它也许在阳光下更容易龟裂,或者更容易随风飘走,等等,换言之,累积选择的原始形式有许多机会演化。

    当然了,以上只是其中的一种假设,这些矿物晶体可能还具有其它各类性质。比如说,有些晶体世系可能碰巧催化了某种化学反应,合成了新物质,而这些物质又有利于晶体的世代传承。新物质至少一开始并不能自己复制,而只是作为晶体世系的工具,正如史密斯指出:当年的无机晶体复制子有许多本身并不复制的工具,其中以有机分子扮演的角色最突出。也即晶体复制子合成有机分子,并利用有机分子达成自己的目的,例如“以吸附作用提升化学反应物质的浓度”等等。

    因此,我们现在可以勾画出生命能够在太古地球上的发生经过了。起先是在水中自然形成的简单的矿物质晶体,它们有复制、繁衍、遗传、突变等性质。而后它们为自己打造了服务的机器——有机分子。这些有机分子最开始是不能复制的,但矿物质晶体在改进有机分子的制造效率的过程当中,使它们有机会演化出复制能力。新的复制子原先只是配角,但由于复制效率高,对自我繁衍的影响更大(就是前面提到的“力量”),因此逐步取代了厚重的硅原子。它们继续演化,不断改进,最后成为我们现在知道的DNA基因码,一步步走到今天生命的辉煌顶峰。

    自然选择和基因突变是如何影响生物进化的:主要有两个方面:“基因型共演化”和“军备竞赛”。 

    基因型共演化  胚胎发育的整个过程是一个合作事业,有上千段基因出力。这样的合作是怎样形成的呢?关键在于自然选择青睐于基因适应环境的能力。但是对于基因来说,直接的外界环境是什么呢?不是气候,也不是天敌,而是其他基因,DNA分子通常都是躲藏在细胞核内的,不大可能与外界直接接触。基因必须与其它基因合作发挥作用,才能增加个体的生存率,从而使这种基因流传下去。 

    假设有一种生物体所需的物质Z,合成这种物质有两种路径,A1-B1-C1,或A2-B2-C2,其中每一个步骤都由某个特定的基因控制。因此,为了成功合成Z,必须“共演化”出A1,B1,C1,或A2,B2,C2。如果个体的基因中,B1,C1的数量很多,就会助长A1的数量,而不会助长A2,反之亦然。 

    更宏观地来看,这种解释也适用于一群基因。适合咀嚼肉类的牙齿与适合笑话肉类的肠道配合的更好,因此制造这种牙齿的基因在制造那种肠道的基因环境中,更加受到青睐。反过来,适合咀嚼植物的牙齿在适合消化植物的肠道的基因环境中更容易生存。简单来说,善于合作的基因生存率更高,在进化中更占优势。 

    军备竞赛,自私的基因理论认为,个体只是基因的生存机器,环境直接作用于生物个体,反过来筛选基因。不同物种的基因不会交会,但是是彼此环境中的重要因素。猎食者与猎物,寄生虫与宿主直接都存在“军备竞赛”,甚至同一物种的两性之间也会有。 

    当然,某种生物受到另一种生物的影响,从而不断演化,这样的现象只有在很长的时间尺度上才能观察的到。任何生物个体,只要敌人在演化,就会被卷入军备竞赛。生物在一个地方经过世代的进化,就会进化出适合当地气候的特征。比如在寒冷地区的生物通常拥有厚实的皮毛,当地的条件,影响了他们身体的很多部分。如果自然条件稳定,长期在这个地区生活的生物就会停止进化,直到环境改变,比如冰河期到来,热浪,寒潮,台风,沙暴,等等等等。 

    这种气候的变化通常没有什么规律可循,但有另一种“环境”因素,将会导致生物向某一方向发展,这种环境因素就是其他生物,奔跑速度快,体态敏捷的瞪羚,更容易逃脱狮子的捕食,因此瞪羚会向奔跑速度越来越快的方向进化。同样的,速度快,敏捷,爪子锋利,善于隐蔽的狮子更加容易捕食瞪羚,因此狮子也会向速度越来越快,越来越敏捷的方向发展。以此循环,军备竞赛就开始了。 

    但是这样就出现了一个有趣的问题,瞪羚和狮子的速度会不会一直快下去,甚至超越音速呢?答案当然是不可能的,因为生物在其他方面消耗的资源越多,用来生殖的资源就越少,别忘了,自然选择本质上选择的是增加产生后代成功率的基因,而不是生存率最高的基因。最后,在用来生殖的资源,和用来提高生存率,以提高生殖成功率的资源,会达到一个平衡,而不会无限制的增长下去。 

    从宏观的角度考察了自然选择的过程。自然选择青睐的基因,不是因为它们的内在本质,而是因为它们与环境的互动。任何一个基因的环境中,其他基因都是极为重要的成分。大致的理由是:其他的基因也会在演化世系中变化。后果主要有两种。第一,能够与其他基因合作的基因才受青睐。第二,环境并不总是有利于合作。

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