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类似的例子向我们展示了生物对调控环路图书馆的深入探索。但是物以稀为贵,在寻找新颖和高效的表达谱的过程中,生命面临着它们在探索代谢图书馆和蛋白质图书馆时就曾遇到过的同样的难题:环路图书馆里有数万亿种不同的调节环路,但与某个环路直接相邻的社区中却最多只有几千种环路,以这种方式寻找新的基因型效率着实低下。
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为了获得尽可能多的新性状,调控环路的进化必须设法跨出所在的社区。这种探索图书馆的方式只有在不同的社区间存在巨大差异的情况下才能收益最大化。为了验证事实是否如此,我们让计算机从一张基因型网络中随机挑选两个调控环路,姑且称之为A和B,它们的表现型相同,但是环路结构天差地别。接着,我们再找出它们各自所有的相邻环路,并分别演算它们的基因编码。我们发现,在A环路与B环路所在的社区中,大多数相邻环路所控制的基因表达谱都不相同,更不要提A环路和B环路本身在基因数量和基因关联上的巨大差异。不同社区中的环路往往表现型也不同。
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于是我们的故事又回到了熟悉的套路上。环路图书馆的布局与代谢图书馆和蛋白质图书馆类似。我们把指导相同基因表达谱的调控环路安置到一张巨大的基因型网络里,对于在这张网络里漫无目的游荡的读者而言,他们只能象征性地在“换汤不换药”的馆藏里寻找新书。真正推动生物进化的动力恰恰是无头苍蝇一般的随机突变,调控环路在稳定积累的微小变异中逐渐改变:虽然某些突变葬送了整个调控环路,但依然有一些突变在保留环路功能的基础上把生物推向了不同的基因型社区,获得了新的基因表达谱,而总有一个表达谱会为下一步生物形态的重塑埋下伏笔。我们再次看到,基因型网络中多样的基因社区成为新性状出现的关键。
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不同图书馆之间的这些共同点让人捉摸不透。为什么代谢、蛋白质和调控环路图书馆中的新性状有着相似的起源方式?为什么不同的图书馆却有着十分类似的分类体系?这些问题的答案是一只看不见的手,它早在生命出现之前就在引导着世界万物的进程。这只手是自组织,而生命的自组织作用显得尤为奇特,接下来我们就回到这种作用上。
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适者降临:自然如何创新 19 44年,诺贝尔物理学奖得主、理论物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)出版了《生命是什么》(What is life),书中收录了他所做的一系列演讲。在那个沃森和克里克还没有发现DNA双螺旋模型的年代,薛定谔已经开始尝试从物理学的角度解释所谓的生物进化。《生命是什么》一书虽然篇幅不长,但是充满了真知灼见。这些洞见中有一个一直受到主流科学界的广泛认可:进化增加了有序性,减少了无序性,或者用薛定谔自己的话说,叫“负熵”(negative entropy)。
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4年后,美国电气工程师克劳德·香农(Claude Shannon)把本来只在热力学领域使用的概念“熵”(entropy),借用到了电报的信息传输精度问题中。于是,进化和信息之间的关系就被建立起来了,只不过这种关系的表述非常简单粗糙:无序——不好,有序——好;正熵——不好,负熵——这时候也叫信息——好。
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自从薛定谔出版了《生命是什么》,我们对熵的理解就开始变得更加复杂而严谨。有序性和信息传递一直都是生物进化的中心议题,但是近几年来,基于对基因型网络的认识,我们发现,完美的有序性和彻底的无序性一样,对生物进化而言都有害无益。无序性对自然来说并不一定意味着负担,它同样可以帮助自然界的生物发现新的代谢方式、新的调控环路和新的生物大分子。简而言之,无序性也可以帮助生物进化。
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我们再拿乐高积木来打个比方。乐高积木可以根据孩子的想象力随意拼接,当然,这些我们熟悉的塑料块也可以根据预先设计好的“图纸”拼出特定的形象。例如乐高公司可能会给孩子们提供一张图纸,只要他们按照图纸上的步骤就能拼出一艘海盗船。无序的拼接比照搬图纸更有可能创造出新的形象,这种潜力一方面要归功于孩子们丰富的想象力,而另一方面则是因为乐高积木有许多可能的海盗船拼法,远远不止说明书上列出的那些。
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同样的原理在生物学上表现为自然界的基因型网络,即相同表现型的不同基因型集合,比如鳕鱼体内的抗冻蛋白。在更隐晦的层面上,基因型网络的存在牵涉到一个广泛存在的生物学概念,但是这个概念曾长期被人忽视,直到20世纪末才引起科学家的注意,这个概念就是发育稳态(robustness)。发育稳态指面对外界环境时生物体保持自身特征稳定的能力。
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要理解生物学中发育稳态的真正含义,最好的例子莫过于把传统印刷出版物和计算机程序中的输入错误进行比较。如果在一本书里看到这么一段文字:
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N smll stp fr mn, n gnt lp fr mnknd[18]
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读者可能会眉毛一扬,然后若无其事地继续往下读,因为对于一本书而言,这么一小段文字乱码几乎不会影响对整本书的理解和阅读体验。然而在计算机程序里就不一样了,对于动辙几千行的代码来说,不要说字符,哪怕是一个逗号的丢失都有可能让价值数百万美元的程序崩溃。在现实生活中,类似的程序错误每年都要造成数十亿美元的经济损失。相较而言,我们可以说,人类的语言具有很强的发育稳态,而计算机的程序语言则没有。
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生物具有发育稳态的猜测最早可以追溯到20世纪40年代,当时的生物学家兼哲学家沃丁顿(C. H. Waddington)在研究果蝇时发现,不同基因型的果蝇在身体外观上几乎没有区别。沃丁顿用于观测比较的指标非常精细,例如果蝇翅膀上的脉络以及背部的刚毛数目。沃丁顿根据这种现象认为,“发育无论在什么情况下都会止于一个相同的最终结果”,并将其定义为限渠道化(canalization)——这个词表达的含义与发育稳态相同。沃丁顿的研究暗示,果蝇的形态对基因突变具有一定的耐受性,即同一个身体性状背后的基因型可以有很多种。即便如此,对于发育稳态的研究在此后的半个世纪里仍旧是一潭无人问津的死水。
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到了20世纪90年代,当时的分子生物学家们深受一个问题的困扰:他们发现许多基因根本没有任何实际作用。这个表面上看起来与沃丁顿的研究没有任何关系的现象,让发育稳态这个概念几乎在一夜之间就涌入了主流科学界的视野。
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科学家们想不明白的是,既然这些基因没有用,那么它们为什么没有消失呢?这些无用基因的存在浪费了宝贵的资源,不断积累的DNA突变应当将它们抹去。就像一栋被人弃用的大楼,年深日久,最后必定会归于尘土。
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我们在第5章中提到过啤酒酵母,除了用来酿酒,它对细胞生物学的重要性犹如果蝇之于胚胎学。正是在对这种啤酒酵母完成全基因组测序后,科学家们才发现了众多的“无用基因”。手握酵母的整个基因组,科学家们意识到,他们对基因组中数千个基因在酵母生命中扮演的角色一无所知。为了了解每个基因的作用,科学家们对酵母的基因进行了逐个“敲除”(knockout),之所以这么命名,是因为科学家每次只删除基因组里的一个基因,相当于从基因组的书里删除某个表意完整的特定段落。
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这个研究的逻辑就像通过每次去掉汽车的某一部件,从而分析该部件在汽车里的作用一样:如果你拆掉车的圆盘转子再踩刹车踏板,发现车不能减速,那么你就能猜到转子和汽车的刹车有关系。同样的道理,如果敲除某个基因后酵母不再分裂,那么这个基因就和细胞的分裂有关。而如果被敲除某个基因后的果蝇失去了翅膀,那么这个基因就参与了果蝇翅膀的发育。
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