蛋白质的华丽转身:从错误到复杂性的演化

作者: 鬼谷藏龙

来源: 果壳网

发布日期: 2016-12-19

本文探讨了演化理论中“错误”的作用,以及通过这些错误如何造就了生命的复杂性和多样性。文章详细描述了眼睛和蛋白质的演化过程,特别是蛋白质如何通过基因突变获得新的功能,如催化碳-硅键的形成。这些研究展示了自然适应新挑战的速度之快,以及生命在变化和选择中不断赋予自身新价值的能力。

“造就这星球上全部有知觉的生命,演化只用了一种工具:错误。”——罗伯特·福特《西部世界》

在近期大热的电视剧《西部世界》中,西部世界创始人福特用这句话强调了“错误”的作用。

演化的工具箱里显然不只有“错误”,但这些错误带来的能被后代继承的“变化”,的确是让生命之树的每个枝桠都灿烂多姿的重要原因——每一次DNA复制都会有极其微小的概率产生一点点错误,而这微小的差错又有微小的可能会让其后代产生些许不同,这种不同又有极其微小的概率让它们稍微能够更好地适应环境。亿万斯年,点点微小差错的积累,借着环境选择之手的引导,让自然界所有生物都处在永恒不断地变化发展之中。

尽管演化理论如此优美,并不是所有人都认同生命的种种神奇都能够由无数细微的变化造就。在各种对演化思想的质疑中,有一种观点认为,人们所观察到的一些生物化学结构,需要由许多不同部件彼此协作才能保证其基本功能的行使。这些结构太过复杂,因此无法用演化机制来解释。

美国生化学家迈克尔·贝希(Michael Behe)把这种情况称为“不可还原的复杂性”(Irreducible complexity),并主张这样的复杂性可能是“智能设计”的产物。

被当做具有“不可还原的复杂性”的典型结构是眼睛。我们的眼睛确实是极其复杂的器官,直觉上很难想象大自然会分别演化出晶状体、虹膜、视网膜等等单独拿出来没什么用的结构来配合成一个这么“有用”的眼睛。

但这样的复杂性,真的“不可还原”吗?在研究了大量化石和基因之后,瑞士发育学家沃尔特·雅各布·格林(Walter Jakob Gehring)发现尽管自然界不同物种的眼睛千变万化,但是总能通过积累各种细小的改变演化而来。

最有可能的答案是“借用”。简单来说就,是某种本来作其它用途的基因因为偶然的突变而转变功能(由于同一个基因在细胞基因组内可以有很多备份,因此这未必意味着原有功能的丧失)。

作为光敏蛋白为我们所熟知的视紫质原本可能另有作用。自然界最经典的“借用”案例大概得属细菌的鞭毛。它们可以像螺旋桨一样飞速旋转,从而让细菌能够四处游动。这厉害的功能,基本依赖于细菌鞭毛基部那个由数十种蛋白质构成的精巧的“分子电动机”。

少了其中任何一种蛋白质组分,这个“分子电动机”都无法正常运转,而这些蛋白质离开了这个系统貌似也没了作用——因此,在生物学家揭开鞭毛的分子生物学本质之前,鞭毛也一度成为“不可还原复杂性”的另一个“例证”。但是科学家们很快发现,鞭毛中这个“分子电动机”其实是由一种“分子发电机”改造而来的,那便是每种需氧生物都必备的ATP合成酶。

在实验中,美国科学家弗朗西斯·阿诺德(Frances H. Arnold)等人盯上了来自海洋红嗜热盐菌(Rhodothermus marinus)的细胞色素c(Cytochrome c)。细胞色素c广泛分布于几乎所有需要氧气的生物体内(各种生物的细胞色素c略有差异),是细胞有氧呼吸过程中不可或缺的一种功能蛋白。它的本职工作是充当一个“电子搬运工”,帮助有机物氧化反应的有序进行。

科学家认为,正是由于细胞色素c能参与到许多氧化反应当中去,所以这种蛋白质其实完全可以充当一种酶,去促进多种化学键的形成。他们通过酶动力学计算后发现,细胞色素c甚至有潜力催化形成一种在生物体内从未出现过的化学键——碳-硅键。硅元素与构成生物体的主体元素碳性质相似,不过由于自然界的硅大多以硅酸盐的形式存在,生物体一般无法利用,所以硅对绝大多数生物而言是没什么用的。

科学家根据酶动力学的测算,为这种细胞色素c“量身定制”了一类含有硅元素的有机小分子底物,果然发现很多物种的细胞色素c都能催化这些小分子形成碳-硅键,而海洋红嗜热盐菌的细胞色素c是其中的佼佼者。

可见,从来就没什么“天不变,道亦不变”。这些DNA编码的催化机器能够在变化和选择之中不断为自己赋予新的价值——事实上它们也的确这么做了,从而让演化之树繁荣生长,最终铸就精彩纷呈的生物界。

可以想象,也许最早的时候,最原始的生命体中总共也只有那么极少的若干种生命必不可少的基因,但经过这几种基因不断的自我复制与改变,经过无数时间,那点点滴滴的改变才终于衍生出世间的精彩纷呈。或许真的只有变化,才是生命世界唯一不变的铁律吧。

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