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《缠结之树》(The Tangled Tree)解释为什么演化和达尔文所理解的并非一模一样

一本名为《缠结之树》(The Tangled Tree)的新书,解释了为什么演化和达尔文所理解的并非一模一样。人类基因组中约有8%是由病毒DNA构成,那是我们昔

一本名为《缠结之树》(The Tangled Tree)的新书,解释了为什么演化和达尔文所理解的并非一模一样。人类基因组中约有8%是由病毒DNA构成,那是我们昔日经由感染所得来。上图为单股DNA的影像。 PHOTOGRAPHY BY SEAN GALLAGHER

微生物学家卡尔.乌斯(Carl Woese)──这本书的作者大卫.逵曼(David Quammen)口中的「厉害怪咖」──发现了生物的第三个界,古菌界(arch

微生物学家卡尔.乌斯(Carl Woese)──这本书的作者大卫.逵曼(David Quammen)口中的「厉害怪咖」──发现了生物的第三个界,古菌界(archaea)。 PHOTOGRAPHY BY E. JASON WAMBSGANS/CHICAGO TRIBUNE/MCT/GETTY

在马克斯.普朗克传染病生物学研究所(Max-Planck-Institute for Infection Biology),血液培养基上培养的是化脓链球菌(St

在马克斯.普朗克传染病生物学研究所(Max-Planck-Institute for Infection Biology),血液培养基上培养的是化脓链球菌(Streptococcus pyogenes)的菌落。 PHOTOGRAPHY BY WOLFGANG KUMM/PICTURE ALLIANCE/GETTY

达尔文的追随者,德国演化生物学家恩斯特.海因里希.飞利浦.奥古斯特.海克尔(Ernst Heinrich Philipp August Haeckel)的著作《

达尔文的追随者,德国演化生物学家恩斯特.海因里希.飞利浦.奥古斯特.海克尔(Ernst Heinrich Philipp August Haeckel)的著作《人的演化》(The Evolution of Man)一书中的生命树。 PHOTOGRAPHY BY MICHAEL NICHOLSON/CORBIS/GETTY

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:Simon Worral 编译:钟慧元):科学家开始运用达尔文时代还不存在的新科技,揭开了演化不为人知的一面……

直到最近,达尔文演化论的中心原则,包括遗传如何运作、物种是渐进式地变异等,都还被认为是已经确立、不可挑战的观念。但在《国家地理》特约作者大卫.逵曼(David Quammen)的新书《缠结之树》(The Tangled Tree)中,解释了因为过去几十年来在人类生物学方面有许多新发现,让科学家彻底改写了生命起源的故事,而这和我们的健康--甚至我们的本质,都有非常重要的关联。

当《国家地理》连络上人蒙大拿州家里的作者时,他解释了为什么新的生物「第三界」的发现,改变了我们对演化的理解、「亲吻虫」(kissing bugs,锥蝽)为什么能把一个物种的DNA转移到另一个物种身上、还有,基因编辑工具CRISPR为什么既代表了令人振奋的新可能性,也带来了道德上的挑战。

你的书从达尔文画在笔记本上的一幅小素描开始。请把我们带回到那个时刻,解释一下生命树的形象这几百年来如何演变。

达尔文刚结束小猎犬号(HMS Beagle)的航行,回到家里。这位住在伦敦的年轻人,认为物种可能是随着时间演化的。但这到底如何发生,他尚未建立起自己的理论。他的「B笔记本」是他的秘密演变笔记本之一,里面是他对演化的看法,他在这本笔记上画了这幅小素描,是一棵枝状造型的小树,还用潦草的笔迹在上方写着,「我认为。」

生命树本来就是古老的图案,可以追溯到《启示录》(Book of Revelation)。但达尔文画的这棵树,才是第一棵生命演化之树。我的书谈的是这个的历史,但更重要的是,因为人类最近40年来在基因定序方面的发现,而使得这个概念经历了大幅修改。

你书里最引人注目的宣言之一,就是「人类可能是源自一种晚至40年前我们都还不知道存在的生物。」请为我们介绍古菌(archaea)。

古菌属于生物的第三域,一直到1977年之前,我们都还不知道这种生物的存在。以前这群生物一直被当成细菌。在显微镜底下,它们看起来就像细菌,小小的细菌,没有太复杂的构造。但做过基因体定序之后,发现它们不但不是细菌,若从基因体角度来看,它们跟细菌之间的差异,比它们跟我们的差异还大。

你的书跟科学家有关、也跟科学有关,而让整个故事蒙上阴影的,是生物学家卡尔.乌斯(Carl Woese),也就是你所谓的「厉害怪咖」。请解释一下,为什么他对这个故事这么重要。

他是美国伊利诺大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的微​​生物学家,这个学校就在美国大草原的中央。在1960年代到1970年代早期之间,他孜孜不倦地做研究。他对地球早期的生命史非常感兴趣,一路追溯到细胞生物和细胞生物之前的生物的时代,也就是将近40亿年前。他在思考,「我到底要怎样才能了解这些呢?」

他决定从研究现生的细胞着手,找出一个所有生命形式共有的单一分子,把这个分子抽取出来,定序出它的基因体碱基,然后搜集某生物和另一种生物的这些碱基片段,加以比较,再看看谁跟谁有关系,关系多远、多近,还有生命在这几十亿年来如何分化。然后他发现,这些看起来像细菌的生物,有些其实根本就不是细菌,而是古菌,也就是生物的第三域。这项发现让他登上了1977年11月3日《纽约时报》(New York Times)的头版。

英国波顿唐(Porton Down)的研究实验室最近因为前苏联情报员谢尔盖.史柯里帕尔(Sergie Skripal)的关系而常上新闻。请带我们进入这所绝密机构,谈谈NCTC#1这个奇特案例。

我上一本书写的是新兴疾病,如伊波拉病毒(Ebola),以及波顿唐在那方面所进行的诸多研究。然后我发现,那里也是NCTC的家,那是一个保存了长时间以来多种冷冻微生物以供科学与医药研究的搜藏库。我想说,「欸,我最好去看看几种细菌。」

那可不是个容易进去的地方,但申请过之后,我受到热忱欢迎,他们也带我去看了一些冷冻干燥的微生物,包括一种名为NCTC#1的微生物。之所以会叫这个名字,是因为它就是这整个搜藏最早取得的样本:是一种会引起杆菌性痢疾的致病菌样本。这种特殊的病菌名为志贺氏杆菌(Shigella flexneri),是在1915年第一次世界大战期间从法国医院里死于痢疾的英国军人恩尼斯特.凯保(Ernest Cable)身上分离出来的。当时这种疾病害死了许多军人。

这个标本就收藏在波顿唐的实验室,直到大概10年前,凯特.贝克(Kate Baker)带领的一群科学家取出了一管标本,解冻之后在实验室重新培养,并检视了它的基因组。想不到啊!他们在这个1915年的细菌标本上其中一个发现就是它已经能抵抗盘尼西林(Penicillin)了。有人说,「喂喂,等一下!那时候盘尼西林都还没发现耶!」用盘尼西林来对抗细菌是1930年代末期才发现的事情,真正运用到医学方面则是在1940年代早期。但这里我们却看到一种早在1915年害死英国军人的细菌,竟然已经具备能抵御抗菌物质盘尼西林的能力了。

你探讨的关键概念之一,就是「基因水平转移」(horizo​​ntal gene transfer)。请给我们一个门外汉的解释,说明一下这是什么,而且要用「亲吻虫」的奇怪现象来解释喔。

基因水平转移基本上就是横向的遗传。是基因物质横向地从一个生物传播到另一个生物身上、从一个物种传播到另一个物种,甚至能从一个生物界传到另一个生物界,横向的,跨越了很大的障碍。这本来被认为是不可能的。我最早是在2013年看到这个理论,我的反应是,「等等,这什么?怎么可能!没有吧!这不可能发生啊!」

事实上,基因确实可以横向移动、跨越巨大的物种藩篱。比方说,某一类细菌(如葡萄球菌staphylococcus)所具备的抗生素抗药性基因,确实可以横向移动到另一种型态完全不同的细菌、如大肠杆菌(E.coli)身上。这个现象不只发生在细菌上,也发生在动物、植物和高等生物身上,通常是因为感染或寄生虫所造成的结果。

其中一个例子就是转位子(transposon, 亦译「转座子」,即跳跃基因)。好大好复杂的词。 [笑]何谓转位子?就是可以从某生物基因体的一部份移位到另一部分的一段DNA。但科学家发现,这些小家伙也可以从一种生物跳到另一种生物身上,甚至是从一个物种跳到另外一个物种。

有一种转位子被命名为「太空入侵者」。那是一种能入侵了许多种不同生物的一长段DNA。它似乎可以从爬虫类转移到昆虫身上,或从负鼠转移到大鼠身上。这一切都要透过一种名为「亲吻虫」的昆虫,这种昆虫在吸血时会吸进了一些这种转位子,然后这些转位子就会从一个物种转移到另一种物种身上,变成新物种身上可遗传基因体的一部分。

2009年,英国杂志《新科学人》(New Scientist)的头条说,「达尔文错了」,立刻就被神创论者紧咬不放。请解释一下这个争议,还有最近的科学发现如何改写了天择(natural selection)的概念。

其实并没有改写天择的概念啦。其实比较像是改写了我们对演化的理解,而天择也依旧是演化上非常重要的一部分。经典的达尔文演化论里面有两个阶段。第一,变异是从一个生物到另一个生物、或是从一个个别族群到另一个个别族群时产生的。原本认为这是以非常缓慢的步骤、透过基因体的突变,而逐渐发生的。一旦在个体之间出现了变异,天择,也就是适者生存,就会再因为这些变异而产生影响。

让《新科学人》下了个如此夸张又刺激的标题的新发现,就是我们现在知道,变异其实还有另一种超级重要的形式。不只有渐进式的突变,也有基因水平转移,直接把一整套新的DNA带到基因体中。

达尔文那个年代的公理之一是「natura non facit saltus」,你良好地拉丁文训练[笑]会告诉你,这个意思是:「大自然不会跳跃」;事情都是慢慢变化的。但基因水平转移则揭示了大自然有时候真的会跳跃,也因此大团的DNA可能会突然之间就出现在个体或族群上,然后天择再继续发挥作用。在新物种的演化方面,这可能是非常重要的机制。

大部分人都浑然不觉自己的肠道或胳肢窝里挤了多少细菌。请带我们一探人类的微生物群系(microbiome),并解释一下为什么这会对人类的健康至关重要。

因为现在可以做基因体定序,所以我们现在知道有非常多细菌族群生活在我们体内。大众会认为,如果你有细菌,就表示你生病了。事实上,就算没有几千,也有好几百种细菌,善良好心地生活在我们的肠道、腋下、耳朵、鼻子、毛细孔,或说我们的皮肤上。这就是所谓的「人类微生物群系」(human microbiome)。这是一个主要由细菌组成、生存在我们的体表和身体里面的显微生物生态系。这个微生物生态系的维持,对人类健康来说至关重要,这也是为什么过度使用抗生素可能有害的原因之一。大部分的抗生素都是广效性的。当你服用抗生素、试图消灭可能让你喉咙痛的某种特定细菌时,可能也会消灭掉其他细菌,而其中许多种细菌不但对你有益,甚至对你的健康、对你体内的微生物平衡是不可或缺的。

你提出了诸多问题,其中之一是:「这些发现对人类身分认同的概念会产生什么影响?」答案是什么呢,大卫?

我们现在了解,人类和大部分生物都是由其他生物所组成的。不只是生活在我们肚子里和消化道里的微生物群系而已,还有一些历经漫长时光、融入了我们细胞里的生物。像是人体内所有细胞都有一种可以协助打包能量的构造,那就是粒线体(mitochondria)。我们现在知道,某类细胞在过去曾经吞噬或被某种细菌感染,后来这种细胞演化成为所有动植物共同祖先的复杂细胞,而粒线体就是当初那些被吞噬的细菌的后代。同样的,我们现在知道人类基因体中有8%的DNA来自病毒,这是在过去1亿年间藉由感染而进入了我们的血脉。这些病毒DNA,有些还是对人类生命和繁衍非常重要的功能性基因呢。

你的书结束在现代,讲的是基因编辑工具CRISPR的出现。请介绍这个工具,还有这种工具如何彻底改变了生物学与遗传学。

CRISPR是一种基因编辑工具的缩写名称,这是过去10-15年间发现的,非常厉害、又很便宜。有了这种工具,现在科学家可以编辑基因体、消除突变或插入新基因的片段。这个工具保证了许多医学方面的美好可能,还有许多真的令人十分不安的道德与社会选择。

如果科学家能编辑人类受精卵的基因体,借此修正遗传缺陷,避免小孩得到先天性疾病,那非常棒。但这会做到什么程度?会发展到让有钱人可以选择名牌小孩,他们的基因体经过编辑,让他们更聪明、更强壮?这些,讲得温和一点,真的是非常困难的道德议题。所以,未来会有非常多关于CRISPR方面的讨论。

但这其实是大自然本来就有的东西。在这种工具被发现、并被某些聪明的人类用在实验室里之前,微生物就已经会利用CRISPR来保护自己、并编辑自己的基因了[笑]。




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