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1700255131 如果我们考量100种利用不同物质的代谢,它们之间的相互组合方式也将轻松超过1030种,而上述那位救世主的代谢模式只是这么多组合里的其中一种而已。要把这1030种代谢放在图书馆里的一个社区内自然是不现实的。每个社区大约只够容纳100多个不同的文本,这仅仅相当于所有代谢表现型的1/1026。这就好比你随手从纽约公共图书馆里借走几本书用来填补你空空如也的床头柜,然后希望这其中包含了达尔文的《物种起源》。换句话说,你在白日做梦。但是,如果是一群读者循着某种指引分散深入到图书馆内,那么这个概率就大不相同了。由于基因型网络巨大无比,所以这群读者能够由此接触到数千个社区,这将大大提高找到目标文本的可能性。
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1700255133 为了验证这种组织形式是否真的存在,我们挑选了成对的代谢文本,每对文本的表现型都相同(比如利用葡萄糖的能力),除此之外,两个文本没有其他共同点。我们把两个代谢文本编码为A和B,它们位于自然图书馆内两个不同的位置,即它们包含的生化反应几乎各不相同,但它们又都是同一个基因型网络内的成员。接下来我们来检查它们所在社区里的5 000多个其他文本,其中的某些文本也同样具有利用葡萄糖的能力,也就是和我们挑选的文本属于同一张基因型网络,但也有一些失去了某些关键的生化反应,最终导致生物死亡。还有一些相邻文本——它们一直是我们关注的焦点,赋予了生物利用新物质的能力,比如利用乙醇或果糖。
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1700255135 对于这些基因型网络我们想问的是:A文本所在社区中的文本,即那些与A文本只相差一个生化反应的代谢模式,是否与B文本所在社区内的文本不同?如果A文本的相邻文本中包含能够利用乙醇和果糖的代谢方式,那么B文本所在的社区里会不会也有能够利用其他物质的代谢,比如,利用醋酸和蔗糖?
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1700255137 在分析了数千对代谢文本以及它们的表现型之后,我们发现之前的预设是正确的。文本所在的社区内往往有着控制新性状的文本,而不同社区内文本的表现型也十分不同。许多代谢性状都是某个社区所特有的,不会出现在其他社区中。(这是因为每种表现型都有自己所在的基因型网络,同时也意味着不同的基因型网络相互交织的方式极其复杂。)
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1700255139 在计算机的帮助下,我们进行了更进一步的探索。我们再一次漫步于代谢图书馆的基因型网络中,只是这次我们担任的是拿着笔记本的仓库管理员的职责,我们想要把所有与沿途文本直接相邻的文本记录下来,而这些新的文本是最触手可及的。在开始前进之前,我们列出了所有起点文本附近的新性状,之后我们跨出第一步,继续检查当前所有的相邻文本。如果新社区内包含原先没有的性状,我们就把它们加到列表里,然后再往前走一步,检查新的社区,加上新的性状,如此反复,直到走出数千步。我们已经知道不同的社区中包含的性状往往不同,所以我们猜测,随着愈发深入图书馆,列表上记录的新性状会越多,但是我们迟早会记录完所有的性状。
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1700255141 事实证明,我们的想法大错特错。记事本马上就写满了,但新的性状还是源源不断地涌现出来。
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1700255143 为了排除研究的偶然性,我们继而重复了很多次类似的尝试,从不同的起点开始,分析依靠不同物质作为能源的代谢方式。我们还增加了实验的样本,想要计算出它们到底能找到多少新的性状。在每一次演算里,新的性状总是稳步增加,毫无衰减和停歇的迹象。不管我们的演算持续多久,无论是100步,1 000步还是10 000步,也无论是一小时,一天还是一周,直到我们用尽时间,或者有新的工作要做。最终,我们意识到,在有生之年我们恐怕是看不到代谢进化江郎才尽的那一天了。
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1700255145 代谢图书馆里的新性状几乎取之不尽。基因型网络和社区多样性亦然,它们是进化发生的两个关键。基因型网络确保了生物探索自然图书馆的能力,没有基因型网络,生物一不小心就会踏入万劫不复的境地。而如果没有社区,沿着基因型网络进行的探索就失去了意义:网络中的性状都一样,对其中某个性状的探索不会带来任何新的性状。
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1700255147 人类图书管理员在管理现实的图书馆时可没有这样的本事。且不说去哪里找用数千种不同的方式讲述同一个故事的书,即便有,也没有图书管理员会模仿自然图书馆的组织形式,在一个主题区域里摆放内容不同的各种书籍,他们也无法把含义不同的书安排在主题相似的文本附近。
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1700255149 不过只要仔细思考就会发现,代谢图书馆并不是什么疯子脑袋里的奇怪想法。人类的图书馆之所以非常实用,仅仅是因为图书管理员按照我们的需求对书本进行了分类管理,有关太阳能电池的书在这个书架上,而与法国文学有关的书则在那个书架上等。而对于一个读者没有偏好,只能随机游走的图书馆来说,只要走错一步就会灰飞烟灭,那么谁都不敢在这样的图书馆里随便走动,读者只能停留在眼前的书架上。如此一来,它们就成了鼠目寸光的伪学者,除了精通自己所在的书架之外,对其他领域一无所知,也不会学到任何新的东西。这可不是在这个多变的世界上生存下去的好办法。对于这样的读者来说,代谢图书馆简直是专门为它们寻求新性状设计的。
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1700255151 更奇妙的是,其他与生命有关的自然图书馆也遵循相同的组织方式。
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1700255169 适者降临:自然如何创新 北 极鳕鱼体型细长,体表呈褐色,腹部为银白色,鳍则是黑色,长约18~30厘米,是一种毫不起眼的海洋生物,但有一点除外:北极鳕鱼生存繁衍的区域位于海平面以下900米,纬度和北极相差不超过6度,那里的水域常年水温在0摄氏度以下。
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1700255171 在这样的温度下,大多数生物体内的液体会变成冰晶,边缘像锻造精良的利剑一样美丽,也像利剑一样致命,因为冰晶切割活体组织就像切黄油一样毫不费力。恒温动物体内具有温度调节系统,因此即使身处零度以下也能生存。但鱼类没有调节体温的能力,即便如此,北极鳕鱼在零度以下依旧能够生存。
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1700255173 北极鳕鱼能够生存的秘诀是体内合成的抗冻蛋白。抗冻蛋白降低了体液的冻结温度,很像汽车引擎冷却剂里的防冻剂。功能繁多的不同蛋白质是自然进化能力的典型例子。只要通过改变氨基酸序列以产生特定的蛋白质,地球海洋中的大片生命不能涉足的区域就可以变成适宜生存的乐园。
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1700255175 抗冻蛋白只是无数种进化奇迹之一,类似的奇迹在鱼类和所有其他生物的细胞中普遍存在。如果你能变小,在细胞里穿梭,你肯定会惊讶于细胞里居然有这么多不同种类的分子,数以百万计。有小些的,如水分子,有的稍大一点,譬如糖或者氨基酸,也有更大的大分子,如蛋白质。所有这些分子推推搡搡,你挤我我挤你,就像高峰时刻挤地铁上下班的乘客。
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1700255177 蛋白质是细胞成分分子中的庞然大物,是生命的驱动者。我们已经认识过代谢酶了,它们通过对相对较小的分子进行聚合、剪切或仅仅进行原子重排,合成细胞所需的所有物质,包括这些代谢酶自身的氨基酸。不过,并不是所有的蛋白质都是酶。有些蛋白质是细胞内的动力来源,例如驱动蛋白,驱动蛋白沿着细胞间纵横交错的刚性分子“电缆”移动,运输含有各种分子物质的小囊泡。一旦这些在细胞内“跑长途”的运输分子停止工作,混乱和无序就会接踵而至。举个例子,有一种驱动蛋白负责运输构建神经细胞之间连接的物料分子,倘若它的基因发生变异,会导致一种叫2A型腓骨肌萎缩症(Type 2A Charcot-Marie-Tooth disease)的绝症,表现为手脚无力并伴有感觉障碍。
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1700255179 还有一些蛋白质附着在DNA上,是基因的开关,这些调节性的蛋白质负责把基因编码的信息转化成氨基酸链。上百个类似的调节蛋白往往会同时展开工作,每个调节蛋白总是对某些基因产生作用,而对另一些则没有影响。(调节蛋白本身也是生物进化的动力之一,我们将在第5章讨论。)
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