复制错误和自私基因，什么是生命的本质？

《孟德尔妖：基因简史》

内容简介

从细胞生物到人类，跨过 40 亿年的岁月，是何种气力在主宰着生命进化的脚步？人类 DNA 由 66 亿个字母组成，庞大如斯，是否已经抵达进化之力的天花板？基因编辑能否使人类变得更庞大、更智慧？

随着生命体庞大度的提高，繁衍的难度随之提高。本书回溯生命惊心动魄的进化历程，如侦探一般解开生命处置惩罚错误复制信息的精妙机制，以及解释如何迫使自私的基因在身体里精诚互助。

作者简介

马克·里德利（Mark Ridley），任职于牛津大学动物学系，现为剑桥大学圣凯瑟琳学院和牛津大学李乃科尔、奥里尔和新学院研究员。

书籍摘录

前言（节选）

当外星人乘坐飞船抵达地球，他们会兴奋地发现：我们的地球是行星中少有的已经进化出庞大生命的星球之一。在外星人涉足的每一颗有生命的行星上，类似地球上的病毒和细菌已经司空见惯，裸露的生物分子和简朴的单细胞对于外星人来说更是再熟悉不外了，因此，他们对这些简朴的生命会简朴地表述为：“它们的基本组成为碳元素，使用 DNA ，它们以电磁辐射和化学资源为动力，会举行自我复制。”不外，宇宙中只会有一小部门星球拥有像地球这样的生命形式 — 诸如有超级盘算机般大脑的人类、张开双翼遨游的白昼鹅以及花朵对称、花瓣精致、香味诱人的玫瑰等。庞大的生命形式都是由细胞组成的，每一个体的发育都是从一个细胞开始，逐渐发展为具有器官形式的成体，并可能会具有智能行为。

在感受庞大生命的旅程中，外星人会发现：与简朴的生命形式差别，那些庞大的生命形式是那样引人入胜、妙趣无穷。浩渺宇宙中，任何一种奇观都比不上生命形式尽全力自我繁殖的情形美妙。

外星人会问的第一个问题是，当地球上的生命复制遗传分子时，会发生几多个复制错误。然后他们开始了更为有趣的报道，好比“整个复制流程使用了 DNA ，加上约莫有 50 种的催化酶。它们每复制 10 亿字符就会泛起一次复制错误，不外看起来问题不大”。由此，外星人可以这样推论，即“大型生物有 10 亿个或更多长度的 DNA 密码和每一个体有一百个左右的细胞世代，对了，它们还明白使用性……”。另有一些看起来没那么显着但很重要的效果：“但这些生命的性行为很让我们震惊。它们只从同类中的另一半挑选配偶，剩下一半则被清除在外，与潜在的择偶毫无关系，这是一种择偶前的禁忌。无论如何，对于这样的择偶游戏，我们要用一些大型的生命加以说明。它们可以追逐那些具有差别曲调的歌舞者，获取编码的那些生物，会随着十个差别的择偶舞曲获取编码 — 从 10 首差别的择偶舞曲中每个获取十分之一。地球生命摒除配偶十分之九的编码所遇到的难题，与它们在产卵历程中遇到的贫苦相比，实在是小巫见大巫。”

庞大的生命形式是大自然的杰作，我想探探其中究竟。人们对庞大生命的疑问实在是少之又少。化石遗迹告诉我们，生命可能很容易进化，但庞大的生命是很难进化的，甚至基础没有进化。简朴生命的降生可能是瞬间发生的，可是进化出庞大的生命可能会遇到一些难免的难题，也许需要履历漫长的几个阶段之后才气被进化出来。

我在本书中的看法是，发生庞大生命形式的主要难题在于准确地复制所有的基因。同时，我们需要比简朴生命更多的 DNA 来编码庞大的生命形式。人类就是庞大生命的代表 — DNA 约由 66 亿个字母组成，基因编码约有 10 万个。相比之下，细菌的 DNA 是 200 万～ 300 万个字母长，基因编码只有 2000 ～ 3000 个。随着 DNA 长度的增长，复制错误也会变得越来越多，这就像誊录差别长度的书面文本。一个誊录员如果抄的是口号，抄错了一句也并没什么大不了，他只需要立刻扔掉重新写一张。可是如果抄的是《圣经》，在誊录员约莫一年半的事情时间内，想要不出任何错误就比力难了。

想要进化出庞大的生命，就需要有一种类似挽救“誊录错误”的机制来处置惩罚 DNA 的复制错误。最早的生命形式可能每 100 字母中就会泛起一个复制错误，可是细菌泛起时已将这个比例减小到了 10 亿个字母泛起一个错误。这种庞大的进步得益于对 DNA 原版的复制（它是一种令人印象深刻的防错分子）以及一种校对和修复错误的分子机械。不外这可能已经是细菌提高自身复制精度的极限了。这项基本的 DNA 复制机制从那时起一直在生掷中运转着，人类发生的复制错误也与细菌差不多。不外，我们的总错误率要比细菌高得多，因为我们使用了更多的 DNA 编码。我们的DNA 分子的长度要比细菌长 1000 倍，而且每个 DNA 已开始每一个世代复制 100 次，而细菌每代只复制一次。增长的复制次数让我们的总错误率上升了 10 万倍，细菌每 1000 个子代才会犯一次的错误，我们的每一个子女都市犯 100 次。人类在 DNA 复制中犯下如此多的错误，怎么还能存在于世呢？这似乎是一个悖论。关于这个问题还没有确切的谜底，也许可能是因为性。性可以将错误集中在某些子代身上，从而使其他子女相对无错。有性的生命形式可能比自我复制的生命形式在进化上更庞大。

在解决复制错误问题的同时，性别也带来了新的问题。在无性繁殖的生命形式中，亲本的每一个基因都被传给了子代： 100% 的基因都是由所复制的亲本提供。而人类，以及所有通过性行为降生的庞大生命形式中，怙恃中的某一位传给子女的基因约莫只有 50% 。

基因通报从 100% 到 50% 的淘汰可能是一个艰难的进化步骤。当每一个基因的遗传时机被削弱到一半时，自然选择会偏爱“自私的基因”，从某种意义上说，可以用理查德·道金斯（Richard Dakwins）的著名表达讲明：这些基因能扰乱系统，同时让自己被通报的概率凌驾 50% 。在这些“自私的基因”被驯服时，才可能进化出庞大的生命。

与本书相关的两个大主题都与错误有关。第一种错误是在复制 DNA 时被动复制错误 — 突变错误。第二类是主动的，即自私基因因其不互助和颠覆行为进而危害个体。这两种错误都威胁着庞大生命的存在，它们还与自己的解决方式有关。在庞大的生掷中，解决复制错误的主要方法是有性生殖。可是地球上的庞大生命使用了一种特殊的遗传方式 — 孟德尔式的有性生殖。 150 年前，格雷戈尔先生在布鲁恩（现捷克共和国境内）的圣汤玛斯修道院的豌豆园中描绘了这种遗传方式。孟德尔遗传学说设想的，是阻止自私基因的破坏行为。

在进化意义上，基因只是凭借着被遗传时发生的概率在进化，因为（被遗传的）的幸运基因是随机（抽签）抽出来的。孟德尔遗传的一个基本特性是，你无法预测一个特定基因是否会被遗传。如果可以预测哪些基因在子女中生存，哪些物种将死亡，自然选择就不行能带来庞大的生命形式。注定死亡的基因会叛逆，整个系统就会瓦解。上帝也许会通过掷骰子决议物理定律和化学定律，而不需要在生物举行自我复制繁殖的简朴阶段掷骰子。可是，庞大生命的进化需要一个具有像掷骰子那样，有确定的随机方式的遗传机制。

在细菌泛起和人类泛起之间的某个时刻（也许在简朴蠕虫的阶段）上帝必须开始接纳随机方式。生命开始使用一个随机化的遗传系统，从这个时刻之后的庞大生命形式，亲代都必须使用随机化的孟德尔式历程来将基因通报给子代。

孟德尔遗传理论阐释了庞大生命的基因是怎么遗传的。其中综合了性别、生殖和基因的可能性而不是某种特定的基因遗传。孟德尔本人是一位奥古斯丁修士，我喜欢把时机机制想象成一个略似修羽士的形象 — 孟德尔妖，他是亲本体内基因的国王，他会决议这些基因是否会在下一代遗传，与哪些其他的基因被遗传给下一个世代。孟德尔与近现代物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（JamesClerk Maxwell）险些是同时代人，著名的（或相当著名的）“麦克斯韦妖”(Maxwell’s demon)是以他的名字命名的。孟德尔的思想揭晓于 1866 年；五年后，麦克斯韦妖面世了。麦克斯韦妖是一个假想的妖怪。假设一个容器分成了两个部门，只允许分子在一个偏向上的快速移动流动，可以（很容易地）使容器的一部门热而另一部门冷。

麦克斯韦妖是一个反随机化的妖怪，他阻挡分子的随机运动，并发生了一个更有序的容器状态，也就是说，它有一个热的一半和一个冷的一半，而不是恒温。相比之下，孟德尔妖是一个更现实的，它是一个随机化的，通过反抗自然选择的破坏力来缔造有序的状态（也就是庞大的生命）。

庞大的生命依靠孟德尔妖，而且庞大生命也许在 10 亿或 20 亿年前孟德尔妖聚集之时才开始进化。麦克斯韦妖可能违反了物理学定律，难以发现纪律。孟德尔妖则是纪律的强化者，它将生物学纪律重新导向一个更有缔造性，而不是破坏性的偏向。孟德尔妖并不深奥。熟悉 UNIX 盘算机操作系统的人能看出这两个妖怪与盘算机任务中“守护历程”的类似之处。道德哲学家可能会想到幸福论（endemonism），他们将行为是否促进幸福作为评判尺度。古典主义者可能会想到欧盟的奥波维亚，这意味着幸福或好运。异教徒可能会想到幸运女神。孟德尔妖是基因公正性的执行者，我们的生存离不开它。

本书旨在探索一些生命深条理的、具有普遍性的特征。其中一些特征，如性，是众所周知的存在主义谜题，另有一些其他问题，如决议遗传基因如何通报的生殖细胞减数破裂，都提出了深刻但少有人知的组成主义谜题。减数破裂是一个决议性的细胞破裂，它让每个基因的存活率只有百分之五十。减数破裂使基因的数量淘汰一半。那么为什么它不是通过淘汰基因数量而是通过加倍呢？为什么恶魔只在基因数量淘汰的两个阶段中起作用呢？事实证明，减数破裂制造的“复制烟雾弹”是疑惑自私基因的小技巧。因而我们将性和遗传历程，明白为促使庞大生命进化的基础属性。

明白深刻又普遍的生命属性是一件十分惬意的事情。这也吸引我们预测地球上将会被发现的其他庞大生命形式 — 包罗地球上的未来生命，以及在宇宙中独立进化出的生命。我们可以预测，所有的庞大生命形式都市使用类似有性繁殖和孟德尔遗传的随机化法式。

可是地球的庞大生命的其他特征可能更像是一个意外，好比性别。

性别是庞大生命的一个普遍特征，与性和孟德尔遗传学密切相关，但它的存在可能是一个偶然。包罗人类自身的庞大生命形式细胞，细胞内会有两套独立的基因。孟德尔妖只让其中一套运行良好。之所以每个细胞有两套基因，是因为约莫20亿年前的一次偶然的细胞合并事件。两个简朴的细胞合并成一个细胞，于是将两套基因就合并到一个细胞中了。拥有两套基因的细胞面临的难题，就如同两家企业合并后很难去统一它们的治理层。通常情况下，企业合并后，两家企业中的一个治理团队会提出告退，这与人类两性的生殖细胞很类似。男性会将精子中的一组基因射出，女性把它保留在卵子中。这种机制恒久运行的结果是庞大的，精子因为清除了所有的潜在贫苦基因，精子的尺寸已经萎缩；卵子却会一直保持大个头，甚至不停增大。精子在变小，数量却比卵子多许多，这是交配市场供求关系的经济学基础。因此，所有的现代男性女性差异（在进化历程中）都可以追溯到已往的一次细胞偶然合并事件。如果庞大的生命不是通过细胞融合而生长的，今天的生物将不会有性别。对于外星人朋侪来说，性别将是地球上庞大生命的最令人困惑的特征。如果他们已经阅读了我们的 DNA 并发现了代码中隐藏的细胞融合事件，他们才可能明白它。

复制错误和自私基因是本书的两大主题。第一章和第二章解释了庞大生命的悖论、地球上庞大生命的历史以及庞大性的基因数尺度。第三章到第四章是关于生命如何进化以处置惩罚被动复制错误，第六章到第八章是关于为了处置惩罚“主动自私”基因，生命是如何进化的。我用第三章到第八章的理论来看待人类在当前和最近的已往（第九章）和更庞大生活的可能未来的演变（第十章）。一些新兴的生殖和遗传技术，如基因治疗和恒久生存年轻时的配子，在庞大生命的弘大历史历程中具有新的意义。它们可能是自从35亿年前细菌进化以来的第一个新的误差淘汰机制。现在，由于复制错误率太高，某些庞大的生命已经灭绝。如果降低复制错误率，可能会使智力或社会组织中泛起具有凌驾人类庞大性的生命形式演变。另一种方法是，允许联合灵活的生命形式进化，凌驾人类庞大性的生命将包罗了几个物种的 DNA 密码，可是每一代只使用这些物种中的一种。一种灵活的生活形式可能包罗鱼、树、鸟和人的 DNA 密码。一小我私家也许有时机在生命的早期选择最好的发展形式，同时关闭所有其他形式的代码。我会在书的末尾讨论这些想法。

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