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表观遗传会不会为拉马克“平反”?

(Paradoxian/译)假如真的有来世,那么让-巴蒂斯特·拉马克(Jean-Baptiste Lamarck)的生前加死后肯定是个大起大落的过山车。他的人生起初是很顺利的:早年有在战场上获得的荣誉,后来又有在学术上的成就。早在达尔文之前几十年,拉马克就是演化论的支持者,在他涉及演化的那段短暂学术历程里他参与发明了演化树的概念,还帮助创造了“生物学(biology)”这个词。

但到他去世时,拉马克已经身无分文,孑然一身,还被一大批事业有成的人嘲弄——这帮人毫无疑问地认定物种是既定而不可变的。作为一个演化学家,拉马克在达尔文发表《物种起源》前30年就去世了,临终时又病又盲,死后尸首则被扔在石灰坑里。一个学术对手甚至在他的悼词里都要最后来一记补刀。

你也许会以为,这样一位早期的演化论支持者,在后达尔文世界也许会被平反,但拉马克死后好像比死前过得更艰难了。你想想看,拉马克是第一批支持获得性遗传的科学家之一——认为物种演化是由于父母的行为。虽然整体来看他在演化理论上明显走在了大家前面,可是这一事实却让他不幸成为了坏科学和糟糕演化理论的典型代表。虽然拉马克在达尔文提出自然选择理论之前很久便已去世,他还是不由自主地成为那个时代最伟大科学家的陪衬。

死前无利,死后无名,苦逼的拉马克。图片来源:维基百科

不过,在拉马克去世180多年后,现在他的假说可能最终能获得些许支持了。生物学和遗传学的前沿研究似乎发现了充满争议的新证据,这些证据或多或少能支持他的观点。这位18世纪的博物学家当然不会知道“表观遗传学”带来的细微差别,甚至都不会知道有遗传学这东西——但那些后世对他的嘲弄中哪怕有一小部分是他应得的,那么现在风水轮转之时,他也应该相应地重拾一些声望。

要准确理解这份补偿的发生方式,以及为什么拉马克可能说对了一部分,我们得先看看达尔文首先提出他的理论时,演化的概念是什么样子的。

局限的革命

要记得,当查尔斯·达尔文登上皇家海军贝格尔号,开启他在加拉帕戈斯群岛的毕业大旅行时,世界已经听说过“演化”了。事实上,当时的科学家们对于物种的起源,甚至人类的由来,已经有了不少超越圣经的思索。

加拉帕格斯为达尔文提供了分支清晰明了的演化树。people.rit.edu

达尔文在那些岛屿之中发现的,并不是物种会演化这个想法,甚至连一个解释演化发生的可能模型都不是。相反,他发现的是一个自然形成的实验室,恰巧精妙地帮助了他研究物种发生,让他的模型第一个被事实证据证明。说到底,达尔文自然选择理论几乎是一战成名,这多亏了加拉帕格斯:这些小岛们简直是完美的培养皿,能够产生出理想的证据证明他的理论。而能够认识到这个事实,并无比卓越地利用了这个优势——这才是达尔文至今被我们记住的原因。

虽然我们这里在讨论拉马克的所谓“平反”,别以为这就意味着自然选择被推翻了:现在的自然选择理论,相比达尔文的最初版本,并没有改变多少,并且仍旧是生物演化背后最为重要的力量。在当时那批科学家们作古后的几十年间,我们学会在种群层面上研究遗传信息的流动,能比达尔文本人更有力地证明他的理论。现在我们知道,自然选择发生的同时,还发生了分子谱系和遗传漂变等过程,但这些都是对达尔文思考结果的完善,而不是反驳。

通过在讨论中佐以证据,达尔文(以及阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士)有效地击败了其余的演化机理假说。在这个过程中,演化论得到了惊人的推进,但它的支持者们也开始排斥除了达尔文的解释之外的其他一切解释。那些为达尔文的理论开路的先驱科学家们本该至少获得一些尊重,但却被中伤为是老一套的象征、是拒绝接受“自然选择是地球上生命多样性的唯一来源”的、跟不上潮流的傻冒。

拉马克确实错了

让这个故事充满科学主义傲慢情结的是,它几乎是对的。不要误会:在具体意义上来说,每一个由拉马克提出的“拉马克主义的”命题都是错的。拉马克主义的演化认为,譬如说,如果你经常锻炼,你的孩子们也会有更多肌肉。这不是真的。然而,这至少在主题上和近来逐渐增多的科学证据相关:一些证据提示,某些特定的行为和生活经历能够被遗传。比如,当小鼠某种气味下连续遭受电击,它会对这种气味非常恐惧,这种恐惧甚至会遗传到它的孙辈。我们知道DNA是遗传分子,但所有目前已有的知识都告诉我们,这些可遗传的经历是不可能以任何方式直接改变基因组序列的。所以到底发生了什么?

答案几乎肯定在DNA之外。童年创伤总不会导致一个等位基因变成另一个;光是表达差异也不会传递下去。就算是精神创伤这种广泛伤害造成了什么同样广泛的损伤——比如染色体末端磨损——那这种损伤也不大可能遗传下去,因为它发生在精子或者卵细胞里的概率微乎其微。所以,致力于研究这类现象的领域被称作“表观遗传学”(epigenetics,字面意思就是遗传学的外围)。

这张图示中,任何不包括DNA序列变化的、可遗传的变化,都是表观遗传变化(epigenetic change)。这包括蛋白质、RNA,以及不改变碱基序列的DNA修饰。图片来源:extremetech.com

表观遗传学研究一切不是由DNA序列改变引起的可遗传变化。这是一个飞速发展中的新兴领域,几乎每个月都有新的论文发表。要注意到,虽然表观遗传中并不是所有现象都是拉马克主义的,但现实生活中,所有拉马克式的遗传现象本质上都很可能是表观遗传。

近几年中的主要研究已经发现,RNA分子(DNA分子的临时伴侣)的甲基化能够遗传,并有着大得惊人的效果。现在,表观遗传可能如何影响演化——在更大的时间和种群尺度上,遗传到底能如何被左右——已是个开放的问题。

如果表观遗传现象能持续得足够久,久到足以驱动演化,那么拉马克就会——至少是部分地、在分子层面上——被平反了。这也可能是该领域备受争议的一大原因,毕竟它重提了自然选择理论最名誉扫地的对手。如果杀虫剂真的能够影响到四代之后的大鼠(编者注:2005年,Matthew D. Anway等人《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),这和拉马克理论靠得也未免太近了。这项杀虫剂研究是该领域早期的几篇重大论文之一,而它到现在依旧饱受质疑。

到目前为止,怀疑者们最好的理由在于人们对这些现象背后的机制所知甚少。哪怕我们能毋庸置疑地证明大鼠精子计数的改变能传给下一代,也没法知道这样的事情要怎么发生。当你研究的是遗传特征这类短暂的东西时,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。

就算像一些研究结果所暗示的那样,童年儿时创伤引起的特定基因的甲基化水平变化在当事人后续几代中都能检测得到,这也并不一定对演化有什么意义;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。然而在大鼠实验里,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,也不能指引演化的方向。就算这种回应是有好处的——比方说,如果一个创伤让连续几代都有更强烈的恐惧反应——其结果只能是让后代避开创伤,恐惧反应随之又变小。这些变化会主动地扼杀自己的作用机制。

于是,在某种程度上,如今拉马克在表观遗传领域其实又被过度地当成了领袖人物,就和先前他被过度地当做旧理论的替罪羊一样。全世界的演化生物学家们都致力于发现表观遗传变化会影响演化的证据——希望这些证据是能够好好研究的那种。不过,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。说到底,你要怎么在几十亿年的历史中搜集到短期化学修饰的迹象呢?

在哺乳动物发育过程中,生物体将多次经历DNA甲基化等形式的表观遗传变化。图片来源:nature.com

虽然科学已经在大规模的DNA研究上有了大的飞跃,但像基因组学这样的领域,大多也只是证实达尔文的理论,让我们对这种理论的真实性有更丰满的理解而已。表观遗传学则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。

但是, “为什么在遗传学过去的几百年里,那么多才华横溢的研究者们都没有发现它?”马萨诸塞大学的表观遗传研究员奥利弗·兰多(Oliver Rando)问道。毕竟,演化若能找到方法来吸收并应对世代内的压力,会是件有意义的事情;如果不需要等待几千年、而能把这些快速应答优势立刻传给子孙,那在演化中的优势将会非常巨大。

问题在于,不管这个想法本身是不是“有意义”,我们没有发现它的丝毫证据。这有点类似“鸡生蛋”的问题:到底是我们缺乏实验证据给相关研究提供灵感,还是相关研究的缺乏让我们找不到证据?

今天,我们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。如果它果真落入了演化生物学管辖的范畴,那么整个演化领域也许会迎来又一个春天。

不过我可没说我已经知道了遗传的本质。所有这些表观遗传的事物完全有可能到头来是一场空,或者差不多一场空。当然也有可能是,我们发现表观遗传对医生和遗传学家们而言十分有趣,对演化生物学家来说却没有意义。即便如此,这些可能性存在本身就是件很重要的事情。会不会是演化被极其微妙的力量塑造,以至于我们永远不可能真的查明真相?演化是不是一个没有底的黑匣子?

这些问题是当今生物学领域诸多重大争议的主要源头之一。甚至可能没有之一。我们需要了解这个争论背后的历史,否则你可能不会理解为什么表观遗传会遇见如此多的阻力——并不止来自对实验结果的怀疑,还有径直针对该领域研究的抗拒——这些抗拒背后也许既有真心不相信,也有职业的神经敏感。而“新拉马克主义”将会需要相当多的证据来克服这些阻力。

终有一天,支持任一边的关键证据会被发现,届时你会分辨得出哪方会赢得了论战——以及哪一方会成为全新时代中的下一个让-巴蒂斯特•拉马克。(编辑:Calo,Ent)

The End

发布于2014-08-27, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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Graham Templeton

科普作家,分子生物学专业

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