2012年高中语文暑假科技文阅读素材之身边的科学(二)进化不可逆素材

1、用心爱心专心1进化不可逆达尔文的进化论可以解释现代生物因何多姿多彩。与此同时，一些科学家也琢磨着这一进程是否会逆转，动物们能否找回昔日所遗弃的特征。19 世纪的古生物学家认为不可能，然而他们也没有可靠的证据。证据直到今天才终于浮出水面。150 年前，达尔文经过多年潜心思考，发表了著名的进化论，震撼了整个科学界， 生命的历史从此改写。达尔文首 次用大量例证表明，各个物种都在适应环境的过程中不断 进化着，并且他还归纳了进化方式：物竞天择。不过他没有告诉我们，在进化过程中，物种是否会重新找回已经失去的特征达尔文是严格按照历史顺序来阐述其理论的，从见证远古物种的化石，直到生存在当下的物种。但是，只要稍

2、稍留意就能发现问题。包括人类在内的哺乳动物的共同祖先， 最早是从水里上岸后成为陆生动物的。而我们知道，其中的一些，如鲸类，就重新返回了水中。难道进化还能“兜圈子”，就像录影带可以倒回去重放？1893 年，比利时古生物学家路易多洛(Louis Dollo)的回答是“不能”。他认为在进化的某一分枝中消失的器官不会再以相同的形态出现。这一观点是他在对恐龙和脊椎动物化石进行了 10 多年研究后提出的，被称为“多洛定律”或“进化的不可逆法则”。可是 往往看上去越是明白的事情求证起来就越麻烦，如何证明进化是单向的？ 一个多世纪以来， 随着进化论的不断发展，生物学家与遗传学家无不试图攻克这一难关，却始终未能

3、如愿。个别学者， 如史蒂芬杰古德(Stephen Jay Gould),为多洛定律提供了有利证据。他们发现，鲸类其实是满足进化的不可逆法则的。19 世纪的博物学家们就已经知道鲸类的鳍和它们的远亲鱼类完全不一样。鲸的祖先作为最早的四足动物之一，在离开海洋时，并没有将它们的鳍妥善保存下来以备日后重派用场不错，一旦走上陆地，它们就适应了新的环境，而后又重 新适应了水环境，但以一种全新的方式一一保留了肺而不是找回鳃。徒有其表相反，其他例子就比较模棱两可了。2003 年，多洛定律最严重的危机之一终于爆发。美国生物学家迈克尔怀廷(Michael Whit ing)注意到，竹节虫在其进化史中曾多次失去又找回

4、了翅膀！而与鲸类不同，它们的生活环境并没有改变， 无法为这种看似进化中的“摇摆” 现象提供解释。迈克尔怀廷由此认为， 这些昆虫可能在几百万年的漫长岁月中保留了长翅 膀的官能。然而，发生在竹节虫身上的奇特现象却也证明不了什么，因为对于其幕后机制我们 一无所知。在生物学研究中，罗列正反案例毫无用处，它们只是深层过程的外在表达而已， 没有任何理论意义。若要 弄清其中原委，就要更进一步，深入生命的核心，拷问那个令达 尔文徒劳地寻找终生的最后一环：基因组。蜷缩在细胞中的 DNA 是唯一展现进化状态的生命物质。它就像一部鸿篇巨制，用仅以4 个“字母”（碱 基）组成的“单词”，记录着我们的用心爱心专心2遗传

5、信息，这些内容在很大程度上决定了人类成为今天这样的生物。换一个“字母”就会改变“单词”，就有可能使其所在的“句子”失去原有的含义，或是获得新的含义。在语言中，我们把这称作“文字错误”，在遗传学上，则叫做变异一一这是进化最有力的武器，现代生物种类的多样性就来源于此。而寻找DNA 的“文字错误”正是生物学家最 主要的工作之一，随后他们就会把这些变异与生物体可观察的躯体变化一一联系起来。他们尤其钟情以果蝇为对象进行这项工作，一方面因为对它们十分了解，另一方面 因为这种小苍蝇繁殖速度超快。几年来，亨瑞克特奥托尼奥（He nrique Teoto nio） 的小组一直关注着多洛定律在这个实验室明星动物身

6、上的表现。他们将一组果蝇置于多种生存环境中（改变食物丰盛程度、温度、光照和湿度）世代繁殖，以使自然选择发挥作用，从而对 与繁殖和耐饥饿能力有关的新陈代谢变化进行研究。结束这第一阶段后，研究人员又将果蝇放回原始环境中生活了 50 代，以使它们“逆向进化”。这次则对它们的基因组，尤其是3号染色体上的基因，进行了仔细的排查。 结论很明确。表面上，果蝇找回了它们祖先的体征， 然而对基因的研究却揭示了多处不同，同一基因出现了许多变体（等位基因），若干碱基被取代。这说明进化依然在不断向前，而没有倒退。回到从前该研究于 2009 年初发表，它明确指出在基因层面，进化过程完全不像人们肉眼所见，没有所谓的倒退，

7、“进化”这个词当之无愧。这为多洛定律的论证开了个头，但还有一个大大的问号一一为什么？在科学研究中很少见的是，这问题没拖多久，到了9 月份就有了答案。一切都拜机缘所赐，美国生物学家约瑟夫桑顿（Joseph Thornto n） 可说是无心插柳。其实，他研究的并不是单一物种整个基因组内产生的变异，而是进化过程中某个共有基因在多种生物体内发生的变异。换句话说，他找的不是某一组果蝇基因组内的“文字错误”，而是在多个物种一一鱼类、人类、鼠类等身上，寻找某个特定“单词”的不同写法。这是分子生物学的经典手法：通过对比，“回溯”至某一基因可能的最初形态。约瑟夫桑顿当时关注的是编码糖皮质激素受体（GR）的基因。

8、该受体使脊椎动物得以固定皮质激素，从而减缓紧张。因为正如一本书中出现的文字错误会在其再版时继续出现，发生基因变异的生物体会将这一变异传给下一代。例如，只出现在灵长动物身上的变异定然源自它们的共同祖先。而了解各大类动物分化时间的进化生物学家们便可据此为基因变异断代。通过这一方法，约瑟夫桑顿“再现了 4.4 亿年中历代 GR 基因的形态，并采用分子操作技术还原它们的进化轨迹”，推断出它们 的功能。困于现在好戏还在后头。约瑟夫桑顿还使用了另一项同样为生物学家所青睐的技术：收集目标基因编码的蛋白，并通过结晶学方法和X 光确定其空间形态。他率领研究小组重建了GR 的现代版和始祖版，并比较了两者的结构。他

9、们首先发现，4.4 亿年前的 GR 能识别很多荷尔蒙，皮质激素还算不上它的挚爱。其次，从始祖版GR 直到出现于 4000 万年后的现代GR 该蛋白一共发生了 37 次变异，而只有 7 次才真正导致了变化， 其余 30 次对该蛋白的功 能没有产用心爱心专心3生任何明显影响。 为了弄清新老 GR 勺转化过程，研究人员决定以新 GR 为母本，再 造始祖版的 GR于是他们取来现代 GR 基因，然后“除去”那 7 处产生了作用的变异结果令人目瞪口呆：经如此改造的 GR 基因未能合成功能健全的始祖蛋白。“我们造出的是一个百无一用的死蛋白。”约瑟夫桑顿讲述道。 怎么会这样？或许在余下的、因对蛋白功能没有影响

10、而被排除的30 次变异中，某些还是起到一定作用的，“就像分子阀门，阻止蛋白恢复之前的形态”一一专家如是推测。但这种初看“无效”的变异是如何做到这一点的呢？研究人员比较了重建的始祖蛋白和真正的始祖蛋白，发现了5 个结构差异（分子排列），它们是由 30 次变异中的 5 次决定的这一出乎意料的发现说明，某些看来“中性”的变异的确从物理上阻止了蛋白恢复原始形态。为了更好的理解这一作用方式，约瑟夫桑顿建议把基因（或其编码的蛋白）想象成一间改变了布局的卧室：床和衣柜被挪开，在它们原先所处的位置放了一盆植物和一盏灯。卧室还是卧室，但不移走添置的物件就无法使其恢复原样。对于 GR 也是同样道理，光处理重大变异而不顾小的一样回不到原始状态。于是我们便涉及了这一机制的要点所在：出现的“中性”变异之所以能被保留，是 因为它们没有影响到蛋白的功能。既然“无效”，自然选择就无从发挥，只当它们不存在， 既不会改变它们，同样也无法使蛋白恢复原来形态！要让基因回到初始形态并编码始祖蛋 白，除非出现天大的巧合，发生一连串变异，恰好恢复基因的原始面貌一一而从统计学角度 看，这种概率是零。 换句话说，在进化中，蛋白发生其他变化的可能性比回到从前没有留下 任何痕迹的老