跳跃的基因 （下）

费里斯·贾布尔

这种特殊的基因似乎游刃有余地在微生物世界中游走多时，然后一纵身，横向跳进那些和不同种细菌生存关系密切的病毒、植物、真菌和昆虫当中。

最近，在研究一种捕食沃尔巴克氏体的病毒时，来自田纳西州范德比特大学的詹森·梅特卡夫和塞斯·波登斯坦发现了横向基因转移界的拿破仑：一个征服了所有生命王国的小基因。通过一种叫作GH25-胞壁酸酶的基因，病毒攻击并杀死沃尔巴克氏体，这种基因编码可以攻破细胞壁防线的溶菌酶。当詹森·梅特卡夫和塞斯·波登斯坦追踪GH25的进化谱系时，他们发现了一种完全不典型的模式。GH25基因散布于整个生命之树中，在细菌、植物、真菌和昆虫中均存在。这种特殊的基因似乎游刃有余地在微生物世界中游走多时，然后一纵身，横向跳进那些和不同种细菌生存关系密切的病毒、植物、真菌和昆虫当中。“每一种生物都需要和细菌抗争，”詹森·梅特卡夫说，“如果它们能够获得一种新的抗菌防御，那将是一个巨大的进化优势。”

有关横向基因转移，轮廓最鲜明的故事要属真菌和豌豆蚜。一些真菌、植物和细菌具有编码类胡萝卜素的基因，而类胡萝卜素是一种非常多样化而且具有颜色的分子，它们参与的生物过程从光合作用和细胞分裂， 到生物伪态和性吸引， 几乎无所不包。但之前人们在动物当中还从来没有发现过这样的基因。在所有已知的例子当中，动物需要从它们的饮食当中获取类胡萝卜素，比如火烈鸟的粉色和红色，就是通过摄取浮游生物获得的。2009年，当时还在亚利桑那州立大学工作的进化生物学家南希·莫兰，意外地发现了豌豆蚜具有类胡萝卜素基因。

红色豌豆蚜与绿色豌豆蚜

科学家已经知道，豌豆蚜的身体根据体内所含类胡萝卜素的类别不同而呈现出不同的颜色，并且能够通过响应某种威胁而将整个群体的颜色进行转换：绿色的豌豆蚜对寄生性黄蜂更敏感，红色的豌豆蚜对瓢虫更敏感。但是这些色素的起源一直是个谜。蚜虫主要靠吸取树汁生活，其中并不含多少类胡萝卜素，并且豌豆蚜体内所含的类胡萝卜素种类繁多，与它们食用的植物中所含的类胡萝卜素非常不同。当莫兰把蚜虫体内的色素基因与很多其他物种进行比较时，最相近的基因来自真菌。在2.7亿年前，一只蚜虫可能从真菌中获得了类胡萝卜素基因：或许是它正在侵染的真菌，或许是它正在咀嚼的那个。此后，又有科学家发现蜘蛛螨和瘿蚊同样从真菌和细菌那里获得了类胡萝卜素基因。

如果将生物界比作一棵树，那么无论你摇哪一根树枝，都会有令人惊叹的跨物种基因转移的例子像树叶一样落在你脚下。蛭形轮虫——一种长得像海蛞蝓的微小半透明动物——用来自细菌、真菌和植物的基因构建了自身基因组的8%;生活在冰冷海水中的鱼类换来编码抗冻蛋白的基因;花型硕大的大王花跟它所寄生的植物交换基因;在日本，有些人的肠道细菌从存留在海草沙拉里的海洋细菌中窃取了海草消化基因。

发现真核生物中的横向基因转移，并不需要我们对标准的进化理论进行大修，但我们确实需要做一些重要调整。

到目前为止，这种基因跳跃现象已经多得无法忽略了。科学家无法再将真核生物之间、原核生物与真核生物之间的基因交换说成是不重要的了。很显然，基因在生物界的不同门类中各种穿越：有时是大规模突然一跃，有时则是千年尺度上的缓步前行。诚然，很多这种旅程都是无果的：一个转位的基因会发现自己在新的宿主中完全派不上用场，或者成为与它相邻的基因元件的扫把星而遭到驱逐。旁系转移的基因可以是混乱的恶魔，把基因组打乱或者重组并导致灾难性的后果。然而，徒步前行的基因却可以让自己开始新生活，获得足够的成功，并能进一步影响生物体的存活方式，引导其进化。

发现真核生物中的横向基因转移，并不需要我们对标准的进化理论进行大修，但我们确实需要做一些重要调整。根据教科书上的进化理论，生物体之间转移基因的主要方式是亲本传递，无论是无性克隆还是有性繁殖，都不是这种在无关联的生物体之间配送基因的鬼祟行为。现在我们必须承认，即使是在最复杂的生物体中，垂直基因转移也不是唯一的基因转移方式。

与此相似，标准理论认为突变只能在一个物种自身的基因组中发生，而不能完全源于另一个地方。我们现在知道， 新基因的产生并不一定源于自身原始DNA的调整，也可能是因为远客的到访。“我们需要开始把基因组看成生态单位而不是孤立单位，”纽约罗彻斯特大学的杰克·沃伦说，“我们正在面对的是一个全新的范畴，其中有独特的基因进化。”

在某些案例中，这种遗传上的跳房子游戏“可以产生一股非常强大的进化力量，”李说，“它可以引入由逐渐积累的基因突变无法获得的全新遗传特征。”想想看，一种植物从细菌那里，或者一只蚜虫从真菌那里获取基因，不是接收了开发进程当中的基因原型，而是获得了自然选择在其他生命体中孕育打磨了亿万年的强大基因。新转移的基因想跟自己的新邻居完全同步，可能还需要一些调整，但是这比从头开始由细胞分裂或者因紫外线辐射导致的突变产生一个新基因要快得多。横向基因转移开启了生物体快速获得自身无法制造的基因性状组合的可能性。

旁系基因转移也可以通过更加细微的方式影响进化。某些种类的转移基因可以自身复制很多次，留下很多大小不一的片段或者完整的复制子。在这一过程中，它们可以对原本的DNA进行大片段重组，改变某些基因的表达方式，或者在这种重排中创造全新的基因。通过将宿主基因组扩大和多样化，这些基因移民增加了复制和编辑错误的概率，其中一些可以引发偶然现象，导致进化加速，就像在棕蝙蝠身上发生的那样。

一股顽皮的风仍旧把DNA吹得遍地都是，在生命之树的各个树枝之间游历。

我们可以通过重新构想生命之树来将传统进化法则和这些多种多样的研究推论结合起来。在经典的教科书中，生命之树由一个树干发出三大界——细菌、古菌（类似细菌但是其遗传学和分子生物学特性不同）以及真核生物。这三大界再分支形成所有已知的物种。每一种曾经存活过的生物都可能“起源于某种原始形态”，这是达尔文在1859年对它的描述。从表面来看，基因应该通过树干向上流动。

伊利诺伊大学的福特·杜利特尔和卡尔·沃斯认为，这种对生物界的划分过于简单。他们认为，与其说生命起源于某个单一的树干，不如说建立在一个互相交错的根系之上。他们认为，所有的生命都起源于一个原始细胞组成的几何体中激烈的DNA交换。对只具有少量基因的简单原始细胞来说，交换DNA 是获取和保存最佳环境适应性的绝好策略。

沃斯指出， 在某个节点处，细胞达到了复杂度阈值，再接受外源基因的频繁轰击就具有毁灭性危险。一个只具有小组基因的原始细胞可以通过向自身的遗传系统中增添新基因获得很多好处，但是具有成千上万基因的更加复杂的细胞，这样做就可能会使自己通过长期自然选择协调好的精密基因组平衡被打破。所以，复杂真核细胞进化出了保护DNA 和去除外源遗传物质的机制。

然而，在过去10年的研究中，横向基因转移并没有在真核生物和微生物之间停止。一股顽皮的风仍旧把DNA吹得遍地都是，在生命之树的各个树枝之间游历。沃尔巴克氏体、豌豆蚜和角苔都鼓励我们接受这样一个事实，它一开始让人心绪不宁，但最终会将我们引入地球上所有生命的共同体。

面对这个事实，我们不能再佯装不同物种间的基因混合是一种非自然现象，是由我们带着乳胶手套的手操作不当而产生的某种存在。

人们普遍认为，一个物种的DNA不应该与另一个物种的相混合。这种信念在关于转基因作物的辩论中显得格外清晰。 对立方频繁提出，科学家在不同物种间制造出的这种基因转移，不应该在实验室之外存在。把一个小麦基因导入一颗栗子树，把一个细菌基因导入玉米，或者把鱼的基因导入土豆，这些都是非自然的。这些对基因混合的粗浅误解就像丧钟一样不断长鸣。

但遗传组成的这种改变在自然界中确实是存在的。遗传物质的跨物种重组在自然界中发生的概率远比我们意识到的要高。单凭这一点并不能让转基因食品更让人青睐，仅仅因为某些东西在自然中可以不借助人力而存在并不意味着它的本质是好或是坏。然而，面对这个事实，我们不能再佯装不同物种间的基因混合是一种非自然现象，是由我们带着乳胶手套的手操作不当而产生的某种存在。我们没有发明基因转移，是DNA自己发明的。基因考虑的事情只有一件：自我永续。如果这种保存需要某个特定基因适应一个它从来没有遇见过的基因组，如果通过寄生虫从一个物种传递到另一个被证明是极其成功的保证延续的方式，那就这么定了吧。物种之间的屏障或许可以保证基因组的完整性，但当一个单独的基因拥有通过突破这些屏障发展自己的机会时，它是不会犹豫的。

这就是DNA 的特点：它只忠于它自己。我们倾向认为，一个物种的基因组就属于这个物种。我们对自己的基因具有强烈的所有权意识，就算我们的基因组与其他生物相重叠，也仍旧是独特的，是“人类基因组”。我们的占有欲是如此之强，以至于“将我们的DNA与其他生物的相混合”这种想法会立刻引起我们的反感。然而，对DNA而言，物种之间的这堵墙并没有那么不可逾越。在生命之树的树枝上，我们不再像原始细胞那样浸在相互交缠的树根之间古老的公用水体里，但是我们无法逃避吹来的会合之风。即使在今天，就像最开始那样，我们的基因并不完全只属于我们自己。