攻佔歐洲的小龍蝦基因相同卻都長得不一樣,或將顛覆遺傳多樣性?

2020-12-05 科學美少男

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一支基因相同的小龍蝦克隆大軍攻佔了歐洲、非洲、日本,大量遺傳學家眼珠子都快瞪出來了,孟德爾的棺材板估計快蓋不住了,誰說的生物多樣性主要取決於基因?

在1995年的某個時候,一種基因突變使一隻大理石紋小龍蝦能夠無性繁殖,從而產生了一種新的、全雌性的物種,這種物種可以無性繁殖,克隆出自己的後代,然而這只是小龍蝦驚豔全球的開胃菜而已。

現存的所有大理石紋小龍蝦(下面簡稱小龍蝦)都來自於那個變異的祖先。它們在基因上都是相同的,由於缺乏基因多樣性,所以這個種群極易受到環境變化無常的影響,從而只能生活在條件恆定的水域中,然而,大理石小龍蝦卻在全球範圍內茁壯成長。

遺傳之外的多樣性

並非外因基因是生物的藍圖、說明書,指導著生物內部生長的一切,按理說無性繁殖的小龍蝦由於基因相同,那麼它們的內在與外在最多只會由於外部因素出現微小的差別,然而現實中的小龍蝦軍團卻完全顛覆了這個認知。

(基因「說明書」)

如果要從每隻小龍蝦中找出一個共同點,那只有「基因」。它們各自分布於不同的溫度,鹽度和酸度的淡水中,姑且勉強歸咎於這個物種基因表達出的適應能力強。神奇的是在顏色、大小、行為和壽命上也有相當大的差異,這就有點說不過去了,然而這還不是最神奇的。

在遺傳學中基因相同表現出來的性狀不一定完全相同。例如:受到外部因素的影響,同卵雙生的兩個人,一個從事室外工作,一個是室內,導致兩個人的膚色是不一樣的。

但這樣的結論並不能把小龍蝦包括在內,理由有三:

外部因素的影響差別是微小的,並且要有針對性因素,而這幫小龍蝦就像拿著基因說明書開卷考試,答案卻五花八門,打眼一看,像是ABCD一頓亂蒙,這樣的情況外部因素就解釋不了了。生物學家發現小龍蝦從胚胎發育的頭幾天開始,基因表達就出現隨機的、輕微的偏差。說明這種基因之外的偏差並非外部因素,是從娘胎裡帶的,卻不能說是天生的。科學家在實驗室裡養大的小龍蝦,它們的兄弟姐妹們的環境是相同的,然而它們同樣會有不同的顏色、形狀或行為,差異非常顯著,足以讓他們建立起一個「不同兵種的軍隊」。

這意味著,生物學家在生物多樣性中似乎忽視了什麼,除了基因之外,還有其他內在因素在激發著生物的多樣性,這種多樣性造就了本應相同的小龍蝦的與眾不同。

這樣的情況只發生在小龍蝦身上嗎?

實際上同樣的情況在細菌、無性繁殖的魚、近親繁殖的蒼蠅和老鼠等生物身上也出現過。一些病原體或癌細胞產生耐藥性,而它們的基因相同的兄弟細胞則輕易死亡。擁有相同基因和家庭的同卵雙胞胎在外貌和行為上都不完全相同,甚至有不同的指紋。早先生物學家們總用外因來解釋。

巴黎大腦研究所曾在《自然》發表過的一項研究指出:即使在一個個體有機體中,左右臉、身體和大腦之間也會出現不對稱。研究越來越清楚地表明,這些差異不可能全部被當作無法解釋的環境影響而一筆勾銷。

基因不是藍圖,只是設計了遊戲規則

同樣的規則不同執行人,產生了不同的遊戲結果。在量子力學中存在不確定,粒子的狀態存在一定的隨機性。生物和基因也是由基本粒子構成,並且生物是一種高度有序複雜的物質,小小的基因無法詳盡地、單槍匹馬地控制生物的一切。

(基本粒子構成原子)

基因組不是藍圖,它無法編碼生物特定的結果,只能編碼一些生化規則,一些細胞算法,通過這些算法,發育中的胚胎將自我組織起來。在組織過程中,分子在細胞中反彈和相互作用,隨機地結合、分開和擴散。製造蛋白質、打開和關閉基因的過程都會受到分子隨機運動的影響。生物學家把它們稱為「系統中的分子振動」。

這導致了蛋白質分子的數量、組裝和摺疊方式以及它們如何履行功能和幫助細胞做出決定等方面會產生某種程度的隨機性。相同基因片段兩次複製的結果都會存在差異,就像一個舞者,每一次表演都不可能完全一樣。

(蛋白質合成)

因此,將單個細胞轉化為整個有機體的複雜過程再擴展到個體發育過程,「有點混亂、有點隨機」是完全可以解釋得通的。

(高度複雜的生物結構)

難以研究

科學家可以編寫基因、可以整改環境,然而隨機的差異是我們控制不了的,即使可以控制微觀尺度的世界,也沒辦法對生物內在的每一個化學反應,每一個蛋白質合成、細胞複製,甚至每一個微觀粒子的運動進行監控和修正。

歸根結底,生物構成太複雜,決定隨機的因素太多,所以我們無法通過基因對高度複雜的生物做出非常精準的準確的預測。

參考資料

1《The transcriptional legacy of developmental stochasticity》(biorxiv)

2.《Wiring the Brain 》——KEVIN MITCHELL

3.《Single Cells, Multiple Fates, and Biological Nondeterminism》——Arjun Raj

4.《In-depth investigation of the species problem and taxonomic status of marbled crayfish, the first asexual decapod crustacean》(biorxiv)

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