複製錯誤和自私基因，什麼是生命的本質？

2023-04-01 18:33:54

孟德爾惡魔:基因簡史

內容簡介

從細胞生物學到人類，是什麼力量主導了生命40億年的進化？人類的DNA由66億個字母組成。有這麼複雜嗎？它已經達到進化能力的極限了嗎？基因編輯能讓人類變得更加複雜和聰明嗎？

隨著生物複雜性的增加，繁殖的難度也增加了。這本書追溯了生命的驚心動魄的進化，例如偵探對生命處理信息錯誤複製的微妙機制的理解，並解釋了自私的基因是如何被迫在體內真誠合作的。

作者簡介

馬克·裡德利在牛津大學動物學系工作，目前是劍橋大學聖凱薩琳學院和牛津大學康奈爾、奧萊爾和新學院的研究員。

書籍摘錄

序言(節選)

當外星人登上宇宙飛船時，他們會興奮地發現我們的地球是少數進化出複雜生命的行星之一。在外星人踏上的每一個有生命的星球上，類似於地球上的病毒和細菌在0+時就已經很常見了。裸的生物分子和簡單的單細胞對外星人來說太熟悉了。因此，他們可以簡單地將這些簡單的生命表達為:「它們的基本組成是碳，它們使用脫氧核糖核酸，它們由電磁輻射和化學資源提供能量，它們進行自我複製。」然而，宇宙中只有少數行星擁有像地球一樣的生命形式——比如擁有超級計算機一樣大腦的人類，張開翅膀翱翔的白天鵝，以及擁有對稱花朵、精緻花瓣和誘人香味的玫瑰。複雜的生命形式由細胞組成。每個身體的發育從一個細胞開始，逐漸成長為一個具有器官形態的成人，並可能有智能行為。

在體驗複雜生命的旅程中，外星人會發現，與簡單的生命形式不同，那些複雜的生命形式是如此迷人和迷人。在浩瀚的宇宙中，任何一種奇蹟都不如盡力自我複製的生命形式那樣奇妙。

外星人會問的第一個問題是，當地球上的生命複製基因分子時，會出現多少複製錯誤。然後他們開始了更有趣的報導，比如「整個複製過程使用了脫氧核糖核酸，外加大約50種催化酶。每次他們複製10億個字符，都會有一個複製錯誤，但這似乎不是一個大問題。」由此，外星人可以推斷出「大型生物有10億或更多的DNA代碼，每個身體大約有100代細胞。順便說一句，他們也知道如何使用…」。還有一些不太明顯但很重要的結果:「但是我們對這些生活中的性行為感到震驚。他們只從同類的另一半中選擇配偶，而剩下的一半被排除在外，這與潛在的配偶選擇無關。這是擇偶前的禁忌。無論如何，對於這樣一個擇偶遊戲，我們需要用一些大規模的生活來說明它。他們可以用不同的曲調追逐歌手和舞者，得到編碼的生物，並得到十種不同交配舞蹈的編碼——十種不同交配舞蹈的十分之一。與它們產卵時遇到的困難相比，地球上的生命在排除十分之九配偶的編碼時遇到的困難非常小。」

複雜的生命形式是大自然的傑作，我想探索它們。人們對複雜的生活很少有疑問。化石遺蹟告訴我們，生命可能容易進化，但複雜的生命很難進化，即使沒有進化。簡單生命的誕生可能是瞬間發生的，但複雜生命的進化可能會遇到一些不可避免的困難，可能需要幾個漫長的階段才能進化。

我在這本書裡的觀點是，製造複雜生命形式的主要困難在於所有基因的精確複製。同時，我們需要比簡單生命更多的DNA來編碼複雜的生命形式。人類是複雜生命的代表——DNA由大約66億個字母組成，基因編碼大約10萬個字母。相比之下，細菌的DNA長度為200-300萬個字母，基因編碼只有2000-3000個。隨著DNA長度的增加，複製錯誤會越來越多，就像複製不同長度的文字一樣。如果一個抄寫員讀了一個口號，如果他讀了一個錯誤的句子也沒什麼大不了的。他只需要把它扔掉，然後馬上再寫一個。然而，如果你抄寫聖經，抄寫員在大約一年半的工作中不犯錯誤會更困難。

如果你想進化出複雜的生命，你需要一種類似的機制來保存「轉錄錯誤」來處理DNA複製錯誤。最早的生命形式可能每100個字母就有一個複製錯誤，但是細菌已經將這個比例降低到每10億個字母有一個錯誤。這一巨大的進步歸功於原始DNA的複製(這是一種令人印象深刻的防錯分子)和用於校對和修復錯誤的分子機器。然而，這可能已經是細菌提高其複製準確性的極限。這種基本的DNA複製機制從那時起就一直在運作，人類的複製錯誤類似於細菌。然而，我們的總錯誤率比細菌高得多，因為我們使用了更多的DNA代碼。我們的脫氧核糖核酸分子比細菌長1000倍，每一代每個脫氧核糖核酸已經開始複製100次，而細菌每一代只複製一次。複製次數的增加使我們的總錯誤率增加了100，000倍。細菌每1000個後代只會犯一次錯誤，我們每個後代都會犯100次。人類在DNA複製中犯了這麼多錯誤，他們怎麼還能存在於這個世界上？這似乎是一個悖論。這個問題沒有明確的答案，也許是因為性。性可以將錯誤集中在一些後代身上，從而使其他後代相對沒有錯誤。性生命形式在進化中可能比自我複製的生命形式更複雜。

在解決重複錯誤問題的同時，性別也帶來了新的問題。在無性繁殖的生命形式中，父母的每一個基因都傳遞給後代:100%的基因是由被複製的父母提供的。然而，在人類和所有通過性行為出生的複雜生命形式中，只有大約50%的基因從父母一方傳給另一方。

基因轉移從100%減少到50%可能是一個艱難的進化步驟。當每個基因的遺傳機會減少到一半時，自然選擇會偏愛「自私的基因」。從某種意義上說，理察·達克溫斯的著名表達可以用來表明這些基因可以擾亂系統，同時允許傳播的概率超過50%。只有當這些「自私的基因」被馴服，複雜的生命才能進化。

與這本書相關的兩大主題都與錯誤有關。第一個錯誤是複製DNA突變時的被動複製錯誤。第二種類型是活躍的，即自私的基因因為不合作和顛覆而傷害個人。這兩種錯誤威脅著複雜生命的存在。它們還與自己的解決方案相關。在複雜的生活中，解決複製錯誤的主要方法是有性生殖。但是地球上複雜的生命使用一種特殊的遺傳方法——孟德爾有性生殖。150年前，格雷格先生描述了布魯恩(現在捷克共和國)聖託馬斯修道院豌豆園的遺傳模式。孟德爾遺傳學說這個想法是為了防止自私基因的破壞。

從進化的意義上來說，基因進化僅僅是依靠遺傳時出現的概率，因為幸運基因(遺傳的)是隨機抽取的(通過抽籤)。孟德爾遺傳的一個基本特徵是，你無法預測某個特定的基因是否會被遺傳。如果我們能夠預測哪些基因會在後代中存活，哪些物種會死亡，自然選擇就不會帶來複雜的生命形式。註定死亡的基因會反抗，整個系統會崩潰。上帝可能通過擲骰子來決定物理和化學的定律，而不是在生物繁殖的簡單階段擲骰子。然而，複雜生命的進化需要一種遺傳機制，這種機制具有像擲骰子一樣的確定的隨機方式。

在細菌的出現和人類的出現之間的某個時刻(也許在簡單的蠕蟲階段)，上帝必須開始採取隨機的方法。生命開始使用隨機遺傳系統。從這一刻起，對於複雜的生命形式，父母必須使用隨機的孟德爾過程將基因轉移給他們的後代。

孟德爾的遺傳理論解釋了複雜生命的基因是如何遺傳的。它結合了性、生殖和基因的可能性，而不是特定的遺傳。孟德爾本人是奧古斯丁修士。我喜歡把機會機制想像成一個略顯僧侶的形象——孟德爾惡魔。他是父母的基因之王。他將決定這些基因是否會遺傳給下一代，哪些基因會遺傳給下一代。孟德爾和現代物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋幾乎是同時代的人。著名的(或者更確切地說是著名的)「麥克斯韋妖」就是以他的名字命名的。孟德爾的思想發表於1866年；五年後，麥克斯韋的惡魔出現了。麥克斯韋妖是一個虛構的怪物。假設一個容器被分成兩部分，只允許分子在一個方向上快速運動和流動，容器的一部分可以是熱的，而另一部分可以是冷的(容易)。

麥克斯韋妖是一個反隨機化的怪物。他反對分子的隨機運動，產生了一個更有序的容器狀態，也就是說，它有一個熱的一半和一個冷的一半，而不是一個恆定的溫度。相比之下，孟德爾的惡魔是一種更現實的東西，它是一種隨機化，通過抵抗自然選擇的破壞力來創造一種有序的狀態(即複雜的生命)。

複雜的生命依賴於孟德爾的惡魔，複雜的生命可能直到10億或20億年前孟德爾的惡魔聚集時才進化。麥克斯韋的惡魔可能違反了物理定律，很難找到它們。孟德爾惡魔是法則的強化者，它將生物法則導向一個更具創造性而非破壞性的方向。孟德爾的惡魔並不深奧。熟悉UNIX計算機作業系統的人可以看到這兩個怪物和計算機任務中的「守護進程」之間的相似之處。道德哲學家可能會想到幸福理論(endemonism)，他們會判斷行為是否促進幸福。古典主義者可能會想到歐盟的波維亞，這意味著幸福或好運。異教徒可能會想到幸運女神。孟德爾惡魔是基因正義的執行者，我們的生存離不開它。

這本書旨在探索生活中一些深刻而普遍的特徵。其中一些特徵，如性別，是眾所周知的生存難題，而其他問題，如決定遺傳基因如何傳遞的生殖細胞減數分裂，都提出了深刻但鮮為人知的結構難題。減數分裂是決定性的細胞分裂，這使得每個基因的存活率只有50%。減數分裂將基因數量減少了一半。那麼，為什麼不減少基因數量，而是增加一倍呢？為什麼惡魔只在基因減少的兩個階段起作用？事實證明，減數分裂製造的「複製煙霧彈」是迷惑自私基因的詭計。因此，我們把性和遺傳過程理解為促進複雜生命進化的基本屬性。

理解生命深刻而普遍的本質是一件非常愉快的事情。這也吸引我們預測將在地球上發現的其他複雜生命形式——包括地球上未來的生命和宇宙中獨立進化的生命。我們可以預測，所有複雜的生命形式都將使用類似有性生殖和孟德爾遺傳的隨機化程序。

但是地球上複雜生命的其他特徵可能更像是一場意外，比如性別。

性是複雜生活的共同特徵，與性和孟德爾遺傳學密切相關，但它的存在可能是偶然的。包括人類複雜的生命形式細胞在內，細胞中會有兩組獨立的基因。孟德爾惡魔只讓其中一個運作良好。每個細胞有兩組基因的原因是大約20億年前一次偶然的細胞合併。兩個簡單的細胞合併成一個細胞，從而將兩組基因合併成一個細胞。擁有兩組基因的細胞面臨著同樣的問題，因為在兩家公司合併後，很難統一它們的管理。在正常情況下，合併後，兩家公司的管理團隊之一將辭職，這與兩性的生殖細胞非常相似。男性從精子中排出一組基因，而女性則將其保留在卵子中。這一機制長期運行的後果是巨大的。因為所有潛在的問題基因都被消除了，所以精子的體積縮小了。然而，蛋會保持很大，甚至會生長。精子越來越小，但數量比卵子多得多，這是交配市場供求關係的經濟基礎。因此，現代男女之間的所有差異(在進化過程中)都可以追溯到過去一次偶然的細胞合併。如果複雜的生命不是通過細胞融合發展起來的，今天的生物就不會有性行為。對於外星朋友來說，性別將是地球上複雜生命最令人困惑的特徵。如果他們已經閱讀了我們的DNA並發現了代碼中隱藏的細胞融合事件，他們可能會理解。

複製錯誤和自私基因是這本書的兩大主題。第一章和第二章解釋了複雜生命的悖論、地球上複雜生命的歷史以及複雜性基因數的標準。第3章到第4章是關於生命如何進化來處理被動複製錯誤。第6章到第8章是關於生命如何進化來處理「積極自私」基因。我用第3章到第8章中的理論來審視當前和最近的過去(第9章)以及更複雜的生命未來可能的進化(第10章)。一些新興的生殖和遺傳技術，如基因療法和年輕配子的長期保存，在複雜生命的偉大歷史進程中具有新的意義。它們可能是自35億年前細菌進化以來第一個新的錯誤減少機制。目前，由於高複製錯誤率，一些複雜的生命已經滅絕。如果複製錯誤率降低，比人類更複雜的生命形式可能在智力或社會組織中進化。另一種方法是允許進化與靈活的生命形式相結合。超越人類複雜性的生命將包含幾個物種的DNA代碼，但每一代將只使用這些物種中的一個。靈活的生活方式可能包含魚、樹、鳥和人的DNA代碼。一個人可能有機會在生命的早期階段選擇最佳的成長形式，同時關閉所有其他形式的代碼。我將在書的最後討論這些想法。

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