19.4 非随机突变的前提

自然选择是自然界冷酷的死神。达尔文大胆宣称:在进化的真正核心,许多被批量删除的无足轻重的部分——许多微不足道的任意死亡——仅从轻微的变化中获得一时的欢乐,却能以违反直觉的方式,累积成真正新颖而有价值的产物。在传统选择理论的戏剧性事件中,死神出演了主角。它一心一意地削减着生命。它是一位编辑,但只会一个字:「不」。变异则轻易地通过衍生大量新生命来与死神这首单音符的葬曲相抗衡。变异也只会一个词:「可能」。变异制造出大量一次性的「可能」,死神则马上大量地摧毁这些「可能」。大部分平庸之才一现世,即被肆意妄为的死神打发回去。有时候,这种理论也会这样描述:二重奏蹦出一个音:「可以!」——于是海星留下了,肾脏细胞分裂出来了,莫扎特活下来了。从表面上看,由自然选择推动的进化仍然是个令人惊叹的假说。

死亡清除了那些无能者,为新生者腾出了位置。但如果说是死亡导致翅膀的形成、眼球的运作,那就犯了根本性的错误。自然选择只不过选掉了那些畸形的翅膀或者那些瞎了的眼睛。林恩·玛格丽丝说,「自然选择是编辑,而不是作者」。那么,又是什么,创造发明了飞行能力以及视觉能力呢?

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关于进化过程中革新性成果最初起源的问题,自达尔文以来的进化理论交出的都是颇为黯淡的记录。正如达尔文著作的标题明确显示的那样,他希望解决的问题,是物种起源的大谜题,而不是个体起源的问题。他问:新的生命种类从何而来?但没有问:个体之间的变异从何而来?

遗传学一开始就是与众不同的独立科学领域,它确实关注过变异与创新的起源。早期的遗传学家,比如孟德尔、威廉·贝特森(格雷戈里·贝特森的父亲,正是他创造了「genetics」——遗传学——这个词),为了解释差异何以在个体中产生以及变异如何传递给后代而孜孜以求。高尔顿爵士证明,从统计学的角度——在生物工程学出现之前,统计学是遗传学的一个主流研究方法——可以认为种群内部变异的遗传出自某一随机的源头。

后来,科学家们在由四个符号编码而成的长链分子[1]里发现了遗传机制,这条长链的某个随机点上符号的随机翻转,很容易被想像为变异的一个原因,也很容易建立数学模型。这些分子的随机变动一般归因于宇宙射线或者某种热力学的扰动。从新的视角来看,曾经意味着严重畸形的怪模怪样的突变,只不过是一次偏离了平均变异的翻转而已。就在前不久,有机体身上所发生的所有性状变化——从雀斑到颚裂——都被看成是统计意义上的程度不一的变异误差。于是,变异就变成了突变,而「突变」又跟随机组合成不可分割的「随机突变」。如今,连「随机突变」这个术语看起来都有点多余。——除了随机突变,还会有其它类型的突变吗?

在计算机强化的人工进化实验中,突变是通过电子手段,也就是伪随机发生器生成的。但是,生物界的突变和变异起源的准确的事实真相仍不确定。我们确知的是:显然,变异不是由于随机突变而产生——至少不总是如此;在变异中其实存在着某种程度的秩序。这是一个古老的观念。早在1926年,斯马茨[2]就为这种遗传学上的半秩序起了个名字:内在选择。

关于这种「内在选择」,一个比较可信的描述是:允许宇宙射线在DNA编码中产生随机的错误,然后,某种已知的自我修复装置以一种区别对待(但是未知)的方式在细胞中纠正这些错误——纠正某些错误,同时放过另外一些错误。修正错误需要耗费大量的能量,所以,需要在纠正错误所需的能量消耗和变异可能带来的好处之间做一个衡量。如果错误发生在可能合时宜的地方,纠错机制就会让它留下,而如果它发生在会惹麻烦的地方,就会被纠正过来。举一个假设的例子:克雷布斯循环[3]是你体内每一个细胞的基本能量工厂。它运转良好已达数亿年的时间。所以,如果乱动它,就会得不偿失。这时,如果身体侦测到克雷布斯循环的编码有一处发生了变异,它就会迅速将其排除掉。另一方面,身体的大小或者身体各部分的比例,也许值得好好调整;那么,不妨放手让变异在这方面折腾。如果内在选择就是这么工作的话,那么,有区别的变异就意味着,某些随机变异要比另外一些随机变异「更受优待」。不仅如此,这种调整的一个迷人结果是,调节装置本身的突变所能造成的大规模影响,将会远远超过发生在其监管的DNA分子链上的突变。稍后我还会再谈到这一点。

基因与基因之间存在着十分广泛的相互作用和相互调节的关系,因此,基因组形成了抗拒变化的复杂整体。因为基因大都是相互依赖的,其关系如此紧密——几乎交错锁合在一起——以至于变异不成其为一种选择,因而只在少数特定的领域中,才可能出现变异。正如进化论学者恩斯特·迈尔所说:「自由变异只在基因型的有限部分才能见到。」而这种遗传的整体性力量,从人类驯养动物的过程中可见一斑。饲养员通常会遇到这样的困窘:在挑选某一特定性状的过程中,会同时激活某些未知的基因,从而带来不太如意的副作用。不过,当放松了那些针对这一性状的环境压力之后,生物体的后继世代能够迅速地回复原本的特质,基因组仿佛是弹回到了原点。真正基因中的变异,与我们所想象的相去甚远。这种迹象表明,变异不仅是非随机的、范围有限的,而且根本就是很难获得的。

人们得到这样的印象:有一个高度灵活的基因官僚机构管理着其它基因的生活。最令人惊讶的是,所有生命,从果蝇到鲸鱼,都授权同一个基因管理局实行管理。比如说,在每一种脊椎动物体内,都能发现几乎完全相同的同源异形盒[4]自控序列(这是一段主开关基因,可以打开大段的其它基因)。

这种非随机变异的逻辑现在非常流行,当我发现居然找不到任何还持随机突变观点的主流学者时,一开始还真是大吃一惊。他们近乎一致地承认突变「并非真正随机」。这对他们来说,就意味着,(就我的感觉而言),个体的突变也许并不那么随机——只属于近似随机或看似随机。不过,他们仍然相信,从统计意义上来说,如果时间拉得足够长的话,那么大量的突变会表现出一种随机的样子。林恩·玛格丽丝讽刺道:「哦,所谓随机,只不过是为无知找的一个借口而已。」

现如今,这种弱化的非随机突变看法已经引不起什么争论了,而另一种加强版才是富有刺激性的异端观点。这种观点认为,变异可以通过某种有意的、精心准备的方式来选择。与其说基因管理局仅仅对随机变异进行编辑,不如说它按一些计划表自己产生出变异。基因组为特定目的会创造出突变。定向突变可以刺激自然选择的盲目进程,把后者带出泥潭,将其推向越来越复杂的状态。在某种意义上,有机体会自编自导出突变以响应环境因素。多少有点讽刺的是,这种定向突变的强势看法在实验室里获得的证据,比弱化的非随机看法更多更过硬。

根据新达尔文主义的定律,环境,而且只有环境,能够对突变进行选择;而且,环境永远不能诱发或者指引突变。1988年,哈佛的遗传学家约翰·凯恩斯和他的同事们发表了大肠杆菌受环境影响诱发突变的证据。他们的断言颇为大胆:在某些特定的条件下,这种细菌会自发产生所需的突变来直接响应环境压力。不仅如此,凯恩斯居然敢这样结束他的论文:不管是什么导致了这种定向突变,「实际上,都提供了一种获得性遗传机制」——这简直就是赤裸裸的达尔文理论的对手拉马克的观点。

另外一位分子生物学家拜瑞·豪尔发表的研究结果,不仅证实了凯恩斯的断言,而且还补充了大自然中令人惊异的定向突变的证据。豪尔发现,他所培养的大肠杆菌不仅能产生所需的突变,而且其变异的速率,与按照随机理论统计得出的预期值相比,要高约一亿倍。不止如此,当他对这些突变细菌的基因测序并将其分离出来之后,发现只有那些有选择压力的领域发生了突变。这意味着,这些成功的小不点们并不是绝望而拼命地打出所有的突变牌来找到起作用的那张;相反,他们精确地敲定了那种刚好符合需要的变化。豪尔发现,有一些定向变异很复杂,以至于需要同时在两个基因上发生突变。他把这称为「极小可能发生事件中的极不可能」。这些奇迹般的变化,不应该是自然选择下的一系列随机累积的结果。它们(定向突变)身上,带着某种设计的味道。

豪尔和凯恩斯都宣称已经细心地排除了对实验结果的其它可能解释,坚持认为细菌正在指导其自身的突变。不过,在他们能够阐明无知的细菌如何明白自己需要何种突变之前,其他分子遗传学家几乎都不准备放弃严谨的达尔文理论。

由四个符号编码而成的长链分子:这里指DNA, DNA分子由四种碱基排列而成。

斯马茨(J.C.Smuts, 1870~1950):南非政治家、生物学家。1926年发表《整体论与进化》,提出进化的整体论解释。

克雷布斯循环(Krebs Cycle):生物化学家克雷布斯(Hans Adolf Krebs)于1937年发现的一种代谢,普遍存在于需氧生物体中,又称为三羧循环或柠檬酸循环。糖类、脂肪和氨基酸会在这种代谢中产生出ATP(三磷酸腺苷),为细胞提供能量。对于真核生物来说(比如人类),这一过程发生在线粒体中。

同源异形盒(Homeobox):也称同位序列,是引导动物生长发育的一段基因,最初是由爱德华·刘易斯等人在对果蝇的研究中发现的。其作用是在胚胎发育的时候赋予身体前后不同部位的细胞以空间特异性,这样把不同部位分化出来,在正确的位置发育出正确形态的器官。