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纏結演化樹,分子生物學如何翻新了演出論

by admin

1942年,麥爾提出了關於「物種」著名的定義:

『物種是實際上或有潛在可能混種繁殖的自然種群,與其他物種族群存著生殖隔離。』*

麥爾對物種的定義,在達爾文的演化論,就是所有的生物都可以追溯由某些共同的祖先演化而來。如果把這些關係連接起來,就像一株樹狀的生命樹。樹根是祖先,最後的枝條是所謂的「物種」。

『美國生物學家馬古利斯等人,在1967年提出了一個「內共生作用」學說,主張真核細胞粒線體與葉綠素等小胞器,都是遠古時代某些細菌,生活在另一顆細胞(或細菌)體內,最後演變而來。這樣的理論,大幅推翻了過往我們對演化的認知。照馬古利斯等人的說法,細菌透過「融合」產生真核細胞,生命樹的枝條將會匯合在一起而不是分岔。…..』*

渥易斯比對了原核細胞(細菌)和一些真核細胞的核糖體DNA,結果在原來以為都是細菌的樣本裏,發現兩種完全不同的生物:細菌和古菌(原以為古菌比細菌古老,其實不必然)。

據此,渥易斯在1977年提出了新的生物分類法,把生物的大分類分為:細菌、古菌和真核生物。

細菌和古菌都沒有細胞核,所以都是原核生物。至於有細胞核的真核生物,簡單講現今看到的真菌、動物、植物等皆是。

當然,人就是真核生物。

其他的科學家根據渥易斯的技術和觀念,『證明了葉綠體跟粒線體確實是來自遠古的細菌,從而也證明了馬古利斯當初的「內共生作用」……從基因分析上來看,真核生物更像是細菌跟古菌的雜種嵌合物,……真核生物的出現,似乎並非透過達爾文的天擇演化而來。』*

想像一個過度簡化的景象,在大約20億年前,一個帶有粒線體的細菌,意外地跑到了一個古菌裏,然後心甘情願地放棄自己的細胞外膜,和古菌緊密共生起來,形成了最原始的真核細胞,成為我們人類的始祖。而如果那個細菌是帶有葉綠體的,和古菌共生,就成為真核生物中植物的祖先了。

從分子生物學的研究,我們現在知道,跳過(物種的)界線,承繼外來的基因來加速演化,不只發生在原核生物的細菌,也發生在真核生物的動植物。

兩個譜系相距遙遠的細菌,卻帶有極相似的基因,那就代表那些基因不是透過世代遺傳而來,而是細菌與細菌之間相遇所產生的基因水平移轉。

根據研究,我們身體內的細菌,譬如在腸胃道內、牙齦上、陰道內、皮膚上的,雖然有些親緣距離很大,但是因為緊密生存在同一個小生態系中,發生基因移轉的頻率,是其他各種環境中的細菌的25倍。

細菌的基因水平移轉,也是日久生情、潛移默化、相濡以沫、近水樓台先得月呢!

以人為例,『……我們自身的DNA中有很大比例是由病毒而來的……大約百分之八的人類基因體由反轉錄病毒(retrovirus)遺留下來。這些反轉錄病毒入侵我們的譜系,它們不僅僅是入侵我們祖先的身,還入侵我們祖先的DNA並留下來。……』*

什麼是反轉錄病毒?

『相對於通常的DNA轉錄過程,反轉錄病毒是一種反向運作的病毒。反轉錄病毒不遵循「DNA轉錄成RNA,RNA轉譯成蛋白質」這一條把遺傳訊息轉化為活體的正常途徑,它使用RNA基因體來製造DNA雙鏈分子。……反轉病毒….. 可以進入細胞核,並將自身基因體的DNA版本貼到細胞的DNA中,成為細胞基因體的永久部分。……如果反轉錄病毒碰巧感染了生殖細胞……那麼插入的病毒序將會遺傳下去……』*

永遠成為細胞DNA的一部分的,就是內源性反轉錄病毒的基因。

透過反轉錄病毒所取得的DNA,可能為人類帶來演化上的好處,但有些會致命,譬如導致愛滋病的HIV-1,就是一種反轉錄病毒會致命的例子。

西元2000年,莫西卡在19種微生物(有細菌也有古菌)中發現了冗餘的DNA片斷,叫CRISPR (clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats),原來那是細菌的免疫機制。

細菌在被病毒入侵之後,就將病毒部分的DNA整合在自己的DNA鏈上,成為對病毒性狀的記憶。未來如果有類似的病毒入侵,就可以迅速比對而查知,那麼細菌就會在酶的運作下,循線找到病毒,並精準切斷DNA,將其消滅。

在基因工程上,後來就利用CRISPR的機制來剪輯DNA。

CRISPR基因剪輯方式是:用一組引導的RNA,去找到目標的DNA,然後酶就可以把(有問題的)目標DNA切開。而所提供的正常DNA,細胞旋即會用它來自動修復(有問題的)目標DNA。

CRISPR基因剪輯的原理很簡單,讓基因缺陷疾病的治療,露出了一線的曙光。但是DNA有那麼多,引導的RNA也可能找錯目標DNA,酶會切錯,有一定的風險的。而將CRISPR基因剪輯的技術,用在人類的胚胎上,則有很大的道德爭議。

『……我們的基因體中有黑猩猩基因或尼安德塔人基因,……,還有病毒DNA的存在,……內源性反轉錄病毒的基因元件佔據人類基因的百分之八,……,我們每個人都含有數百兆個細菌細胞,代表著數千種不同細菌「種」,作為維持健康、消化系統運作,以及生理其他方面不可或缺的必需品。在我們每一個人細胞中,都存在捕獲的細菌,這些細菌早已轉化為粒線體,沒有它們就沒有你我。』*

達爾文「天擇」的部分,應該還是大自然的基本定律。至於「物競」的基礎,就不只限於代與代之間逐漸變異的基因,也包括從其他物種迅速水平移轉的基因。

我們是誰?

如果自大地說我們是萬物之靈,還不如說我們是蟲人呢!

從第一個帶著粒線體的細菌來投靠古菌開始,到我們現在身上數百兆的細菌細胞,我們一直就是蟲人呢!

說自己是蟲人,是一個更正確的驕傲。想到身體中的細菌,無時無刻在水平移轉基因,為我們打造更多樣化的防禦能力,身而為「人」,是不是應該更謙卑,心中充滿更多的感恩呢?

我,就是我們,我和諸多的菌種們。但是,去掉了菌,我再也不是我了。當如是觀之。.

*:大衞·逵曼,纏結演化樹,分子生物學如何翻新了演出論,2022年7月,貓頭鷹出版

2023/7/20 纏結演化樹,分子生物學如何翻新了演出論 Damakey

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