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【人的创造-6】获得性遗传否定之否定
送交者:  2018年09月10日11:44:10 于 [世界时事论坛] 发送悄悄话

【人的创造-6】获得性遗传否定之否定

文:格致夫


生物界通过物竞天择机制,以“摸着石头过河”的试错演化模式获得显著的进化成果——如万物之灵人类这个最大成果。虽然学界主流观点否定进化具有目的性,但通过上一篇《【人的创造-5】动物进化的“目的性”》对动物肢体演化众多实例的讨论,得出的基本推论却有些不同:从生物种群的宏观角度审视,生物进化是有目的的!众多动物的肢体都在向着最适宜其生存(适应环境和提升技能)的方向准确进化。例如,古猿在向人类进化过程中,不仅进化出灵巧无比的双手,而且“有目的”地进化出适宜于人类活动特征的双脚!

 

如何令人信服地解释这一进化现象?


首先,一种独辟蹊径的解释是,广义劳动促进了这种“定向”进化。当古猿从树上下来,开始直立行走、奔跑和跳跃的时候,就开始了对双脚的“改造”进程。当然,这一进程极其漫长!从古猿尝试直立行走至今,几百万年过去了,猿进化成了人,那双类似于猩猩的猿类脚,才进化成我们今天的人类脚。

 

其次,拉马克的获得性遗传说认为,因环境变化及生物习性等导致的一些后天习得的新“成果”可以反映在遗传子代中。上一篇曾提到,这一假说曾被后世压倒性主流认识所否定。而在这位先驱提出该假说两个世纪之后的今天,这种否定却重新受到怀疑和挑战,其主因是表观遗传学取得重大进展。


本篇将从广义劳动和获得性遗传两个方面对生物进化的贡献展开讨论。


1)“劳动创造人本身”的论证难题

 

上一篇曾强调,对拉马克理论持开放态度是必要的,还有另一个更大胆的假说,同样需要科学界持开放态度。一百多年前,恩格斯在《劳动在从猿到人转变过程中的作用》一文中,提出一个惊世骇俗的观点:劳动创造人本身!


这位马克思的战友,并非一位受过良好训练的科学家,其真正身份应算是一位政治理论工作者。一位“门外汉”提出一个纯科学假说,这本身就相当令人意外。而比其不够格的身份更令人意外的是,这个论断本身的难以想象:劳动创造人?这比上帝造人更需要想象力!而比特殊身份、“奇葩”论断都更加难以企及的是,如何证明或证伪这个论断?


无需太多复杂的分析,也不难理解:欲证明劳动对人的进化是否存在促进作用,是不可能找到直接证据的!首先是进化的时间尺度。进化不是以百年、千年为单位,而是以万年、甚至百万年为尺度!其次,该领域任何直接证据的来源,仅限于考古发现和基因分析两条途径。显然,化石和基因都不可能体现出直观的劳动因素!由于这两个因素,决定了恩格斯假说的证实或证伪,都只能依赖间接证据,以及必要的逻辑推理。

 

2逆向思维的逻辑论证


本系列《【人的创造-3】劳动造就每一个人!》一文,与其说是对恩格斯假说的扩展应用,倒不如说是从逻辑上论证恩格斯论断的另一种新尝试。将劳动对人类进化的影响转移到探究劳动对个体人这个小对象的直接影响,时间尺度便缩小到个体人约20年的成长期,这就把寻找直接证据的难度大大降低了。也就可以通过考察个体从出生到成人的过程,来分析劳动在每个阶段扮演的角色。


如前所述,就劳动创造人本身这个命题而言,理应把“广义劳动”定义为生物对其进化有影响的一切活动,且根据劳动是否具有规划目的性,区分为高级劳动和低级劳动两类。值得一提的是,广义劳动对人的影响并不限于肌体本身和智能两方面,还包括诸如反应敏捷度、与外界交流模式与水平、甚至性格气质等方面。


该文一个逆向思维的核心推论是:没有广义劳动,个体人会退化为废人(不会讲话,不会走路,肌肉无力,行动困难等)!事实例证除该文提供的,还包括因伤失去行走能力者腿会变细、僵硬等。而狼孩连大脑的发育也受到影响,以致于回到人间很多年,仍不会讲话,智力低下。这就凸显出缺失广义劳动的负面效应。


设想一下:假如完全没有广义劳动的废人,继续很多代繁衍下去,且每一代都完全缺失广义劳动,那会演变成一种什么状态?历经足够多代后,他们的四肢和大脑还能跟正常人一样吗?四肢会不会逐渐萎缩?大脑发育会不会受到影响?


这种逆向思维的关键逻辑就是:既然没有广义劳动,人类从躯体到大脑都会退化,那么,这就从反面证明了,广义劳动必然促进人类的进化!

 

3)表观遗传学的异军突起


关于进化论先驱拉马克的贡献,还包括帮助创造了“biology(生物学)”这个词。他去世时却相当悲惨,除了又病又盲,穷困潦倒,孑然一身,死后尸首竟被扔在石灰坑里,还被人嘲弄。作为伟大的达尔文的陪衬,他离世后更成了糟糕演化理论和坏科学的典型代表。好在他的获得性遗传理论,在历经两百年之久的屈折历程之后,似乎走到了否定之否定的新节点——迎来重生的曙光!而带来这一转折希望的主要“功臣”,正是生物学前沿领域表观遗传学。


研究在DNA序列不变条件下,基因表达发生改变的学科称为表观遗传学(epigenetics)。人类不仅有作为遗传物质的基因组(DNA)信息,还有一套管理、调控、修饰DNA的密码指令系统。不同的个体,指令系统也不同。更重要的是,这套密码指令还能在特定环境下发生改变。更神奇的是,改变后的指令很可能会遗传下去!科学家们已经陆续发现一些这类例证。如2007年,日本科学家在试验小鼠中发现,一种称为stella的蛋白质就能有效保护卵子中某些基因的甲基化修饰,并传给下一代。


有评论认为,“表观遗传学可能是自发现基因后另一项最重要的发现。”近年来,它已成为生命科学界最热门的领域之一。就目前所知,表观遗传现象至少包括DNA甲基化、RNA干扰、组蛋白修饰、染色体失活四类。表观遗传学首次暗示另一个演化指向系统的存在——这个系统能与达尔文的理论互补,是对环境的有序回应,而不仅仅是像遗传漂变一样的随机变化。与传统遗传学不同,表观遗传学关注的是非DNA序列变化引起的变异,而环境因素对这类变异和遗传的影响至关重要。


最显而易见的例子是同卵双胞胎。他们拥有完全相同的遗传物质,理论上应该长得一模一样。刚出生的双胞胎也确实很难区分,但随着年龄的增长,他们的差异会越来越大,包括外貌、性格甚至性取向。其主要原因就是随着年龄的增长,不同个体DNA的修饰状况(如甲基化水平)的差异会越来越大,造成具有相同DNA序列的个体具有不同的表型。


DNA甲基化通常会导致DNA失去转录活性。反之,细胞也有去甲基化的功能使某些区域的DNA恢复表达。有些基因被甲基化以后,可以重新恢复到去甲基化的状态;而某些基因却可能一直保持甲基化状态。已经发现,有一些基因的甲基化将会持续保留到其后代中。例如,通过小RNA干扰技术沉默某个昆虫的基因以后,这些昆虫后代的基因在一定程度上也被沉默了。虽然并非所有的DNA甲基化都可以遗传,但某些DNA片段上的甲基化信息确实可以遗传至后代。


反转录酶的发现使获得性遗传问题的争论重新开始。实验证明,遗传信息的传递,并非只有中心法则所指出的DNA——RNA——蛋白质这一个方向。实验证明,从RNA到DNA方向也是客观存在的。表观遗传学成果告诉我们,获得性遗传很可能是存在的。例如,当用一种酶把枯草杆菌的细胞壁去除后,在特定的生长条件下,它们可以继续繁殖,后代也是无壁的,并且这种状态可以稳定地遗传下去,只有把它们放在另外的一种生长条件下,细胞壁才会重新生长出来。


我们周围的环境以及我们所作出的反应都可能影响我们的表观遗传。生物通过对DNA的修饰改变基因的表达,从而更加适应环境,而这些修饰有可能遗传给他们的子代。已经有理由相信,表观遗传在严重肥胖症乃至哮喘中发挥着作用。例如,一项实验研究证实,长期高脂肪饮食的雄性大鼠生育的雌性子代更容易出现肥胖。


不难想见,环境通过表观遗传学修饰所造成的改变,增加了生物的复杂性,给种群赋予了适应新环境的能力。尽管生物不能将全部的自身经历传递给下一代,长颈鹿也不可能通过天天伸长脖子来帮助后代吃到更高处的树叶,但生物能够通过为后代留下某些个宝贵的遗传学武器,增加它们在困境中生存的机会。换句话说,环境压力与种群遗传多样性之间那遗失的一环就是表观遗传学,而它与随机性点突变并不矛盾,可以并行不悖。


生命通过表观修饰,比如甲基化,来传递“前世记忆”,有人们更熟悉的例子。譬如,一棵树可以让它的子孙知道环境正在干旱等;再如,植物如何记得在春天开花?答案是被低温激活的VALs转录因子,给开花调控因子FLC扣上一个个甲基化“帽子”,令它们都沉默,花遂开;等天气转暖,花开花谢,Pioneer转录因子再把FLC叫醒(去甲基化),最终实现果树不在秋天开花。


4)获得性遗传的例证


该领域研究者们已经陆续有不少这类发现。这里选列几个例证:


—— 小鼠获得性免疫遗传。1980年代初, 加拿大安大略癌症研究所的两位免疫学家在《美国国家科学院报》上提出, 小鼠通过注射骨髓细胞、淋巴细胞, 可后天获得抗原耐受性, 并能将此耐受性传给下一代。该论文掀起了拉马克主义在免疫学中复活了的小浪潮, 英国《自然》也为此发表评论文章和后继论文。但后来由于试验的严格性受到怀疑, 这一浪潮并未维持多久。

—— 2005年,有人在《科学》上发表论文指出,将怀孕的大鼠暴露在高剂量的杀虫剂和杀菌剂中,大鼠的后代成年后都出现了器官损伤,其中雄性后代的精子异常DNA甲基化至少持续了4代。这项研究是该领域早期的几篇重大论文之一,但它至今依旧饱受质疑。而怀疑者们主要理由是,人们对这些现象背后的机制所知甚少。有评论认为,当你研究的是遗传特征这类东西时,不知道现象“如何发生”,和不知道现象“是否存在”,可以说并没有那么大的差别!

—— 2011年11月,哥伦比亚大学研究者发表于《细胞》的一篇论文,利用一种昆虫病毒FHV感染线虫,发现线虫通过RNA干扰的方式沉默了病毒基因,从而获得针对该病毒的免疫力。之后,研究人员通过基因突变方式让线虫后代失去病毒耐受能力,发现这些遗传变异的线虫后代仍然显示出对抗病毒的能力。“我们在近一年的时间里对超过100代的线虫进行了追踪,发现它们持续地保有这一免疫特性,”研究人员推断,这种抵御病毒的遗传信息,是通过某些病毒RNA分子而非DNA储存的形式,传递到了后代中去。

—— 2014年,《Nature Neuroscience》发表的“父母的嗅觉体验影响后代的行为和神经结构”一文,利用嗅觉分子特异性,对试验鼠F0代在受孕前进行气味恐惧条件反射训练,发现随后的F1和F2代对F0代过敏气味表现出敏感性增加,但不包括其它气味。

—— 在另一项小鼠研究中,研究人员发现环境压力导致雄性鼠产生攻击性行为,并且其后代也遗传了同样的行为。值得注意的是,这些子代小鼠体内特定基因的DNA甲基化模式发生了改变。这类研究都支持一个观点,即环境的选择性压力会通过表观遗传学影响DNA并传递给子细胞及后代。

—— 最近(2018年8月),《Nature Medicine》发表的一篇论文是苏黎世联邦理工学院的Christian Wolfrum团队的发现:女性冬季受孕的话,将来生的孩子更不易肥胖,因为体内负责耗能产热的褐色脂肪含量会更多。通过小鼠试验,也证实了这一效应。 


而通过对自然界的观察,也不难发现,植物中似乎也不乏这方面的例证。在茂密的森林环境中,某些树木(如加州红衫)为了获得足够阳光进行光合作用,会有目的地"拼命"长高,经历无数代后,这种后天获得的长高能力似乎“固化”到了基因中——如果你把这类树种移植到阳光充足的后院,它们仍然会比一般树木高得多。


5)获得性遗传的评价


首先,获得性遗传的存在,虽然已经发现不少实验证据,但其肯定性结论仍然具有很大局限性。属于某些生物的某些性状在有限代际间的遗传,而非拉马克规模与水平的后天获得性状普遍性永久性遗传。正如Graham Templeton的评论所指出:就算如一些研究结果所暗示的那样,童年创伤引起的特定基因甲基化水平变化在后续几代中都能检测得到,也并不一定对演化有多少意义。只有当它真的能万世长存下去的时候,它才能算作是一种演化机制。而在大鼠实验里,时间好像真的能治愈一切。假如效果一代代总会衰退下去,那就算电击引发的应答能延续几代,仍不能指引演化的方向。


其次,目前水平的研究尚不足以得出完全否定拉马克理论的结论。毕竟今天的遗传学仍有大量的问题没有搞清楚,并不能解释生物进化中的所有问题,所得出的某些结论也就并非那么可靠。上一篇对魏斯曼切除老鼠尾巴试验缺陷的分析,就是一例。某些后天获得性状被“固化”于表观遗传机制而恒久遗传下去的可能性尚不能完全排除,有待进一步研究。一种审慎的开放性态度是十分必要的。有评论认为,表观遗传学对生物学家来说是个“黑匣子”,它仿佛是个巨大的未知空间,但其自身性质却抵制着深入研究。


第三,即使在最好的情况下,表观遗传学最终完全证实了拉马克理论对诸多后天性状成立,也并不构成对达尔文自然选择进化机制的挑战。获得性遗传并非生物进化的主要方式,它只反映进化的部分外因。以DNA为载体的中心法则仍是传递遗传信息的主要方式,表观遗传可作为它的重要补充。两种理论在历经200年的相互抵触后,最终可能回归一种互为补充、相辅相成的关系。值得一提的是,达尔文的态度也有折中的一面,他也不否认用进废退和获得性遗传。


第四,即使考虑最悲观的结局——表观遗传学最终完全否定获得性状的恒久遗传可能性,此类研究成果仍有重要价值,尽管对演化生物学家来说会失去大部分意义。例如,表观遗传机制对医学和遗传学家们就具有重要的实用价值,包括对癌症发病机制和药物的研究,以及对遗传疾病的研究等。目前已有这方面的实例。


最后,如果表观遗传学能够最终证实获得性遗传机制,将是对劳动在人类进化中基本作用最给力的间接证明。劳动效应无疑属于后天习得的部分,只要获得性遗传机制存在,就意味着劳动对人类进化的促进作用存在可行机制。


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