生物学的下一次革命

发布时间：07年03月01日

编译石磊

　　微生物世界正在浮现出的一幅画面——微生物可以认为是基因交换的集合体——要求人们对一些概念(如生物体、物种，甚至进化本身)进行修正。

　　科学发现的最根本模式之一是思想的革命，伴随着思想的是一整套新的实验数据。在过去的几十年里，以卫星为基础的天文学推翻了我们关于宇宙学的一些最珍爱的想法，特别是那些跟大小、动力学和宇宙的组成有关的想法。

　　同样地，进化方面的新的理论和思想、以及如雪崩般而至的基因组数据也将深刻地改变我们对生物圈的认识，而且有可能会导致对如物种、生物体和卡普斯塔(俄罗斯一艘航天测量船)进化等概念的修正。在此，我们需要解释一下为什么我们预见到了这样一个引人注目的转变，为什么我们认为支配20世纪生物学的分子还原论(molecular reductionism)将会被包括了众多现象、知识的多学科的合作所代替。

　　我们讨论的起始点就是水平基因转移(horizontal genetransfer，简称为HGT)，HGT不是遗传物质从一个生物体到另一个生物体的家系转移(如从一个细菌到另一个细菌，或从病毒到细菌)。在微生物中，水平基因转移非常普遍，并且产生的效力很大——如加快了抗生素抗性的传播。由于存在水平基因转移，我们没有一个很好的近似来把微生物看作是由个体特性支配的生物体。事实上，它们通过遗传或群体感应(quorum sensing，是细菌用于调控基因表达从而改变细胞功能的普遍机制，不同的细菌种群具有不同的群体感应机制——译者注)通道进行通讯表明，微生物的行为必须按照协作的方式来理解。

　　在自然界，微生物形成菌落侵入生化的小生境，参与生物地球化学循环。大量研究表明，微生物会根据自身的需要吸收或者清除基因以作为对环境的反应。因此，我们看到的是基因组的连续体，而不是分离的基因组，这就让人对微生物领域中“物种”概念的正确性产生了怀疑。

　　物种概念的无用性也存在于近年来出现的宏基因组学(metagenomics，原来研究天然样品的基因组，现在逐渐研究克隆的培养物的基因组——译者注)中。例如，对海洋微生物中的视紫红质(rhodopsin)基因的空间分布的研究，表明这些基因是“四海为家”的，它们漂移在细菌(或古细菌)之间以判断环境胁迫的情况。

　　同样令人兴奋的是，现在还认识到病毒也在生物圈中扮演着重要角色，不管是在即时的进化感应还是在长期的进化感应中。近来的研究工作表明，病毒是群落遗传信息的重要的储藏所和记忆场所，这有助于系统的进化动力学和稳定性。例如，原噬菌体的诱发就暗示了这一点。在诱发过程中，细胞中潜伏的病毒能受到环境的影响而被激活。对于宿主和病毒基因的扩散而言，细胞解体和病毒复制是一种强有力的机制。

　　现在有一点是越来越清楚，即面对可怕的环境胁迫时，微生物有重新构建其基因组的惊人能力。在某些情况下，它们和病毒集合起来的相互作用对重建是至关重要的。对这种情形，分离的单个生物体的概念是否还有效呢?从基因组向上直到细胞、群体、病毒圈和环境，似乎存在连续的能量流和信息转移。再说得远一些，这表明定义的生命的特征就是强烈依赖这些来自环境的“流”——能量、化学物质、代谢产物或基因。

　　迄今还不知道这种由HGT“斡旋”的集合现象的含意，只是了解到HGT在进化中极其普遍且非常重要。计算机学家可能会将细胞的翻译装置(用于把遗传信息转变为蛋白质)称为“操作系统”，通过这个系统所有的革新都可以进行交流和实现。特别是以遗传密码表示的翻译的基本作用，可以通过最优化的密码清楚地展现出来。在任何形式的生命中，这套密码的特殊之处在于可以进行惊人的预测:早期生命的演化都遵循了拉马克的方式，早期更有效力的HGT导致了垂直下降的边缘化。

　　对遗传革新的水平共享进行的精细化引发了遗传新颖性的大爆炸，直到复杂性水平需要一个过渡态，即当前时代的垂直进化。因此我们认为:通常把达尔文的名字和进化连结在一起是遗憾的，因为其他形态也必须要考虑。

　　这是一个非同寻常的生物学时代，因为发展前景把生物学放在了这样一个大环境中:必须要运用其他学科的知识，来深入了解集合现象的重要性。我们刚才已经提到的属的能量、信息和基因流的问题，可能需要借助统计力学和动力学系统理论来寻找答案。因此，当前生物学研究的建模方法将为数量预测和实验检验的相互作用所代替，现在更多地需要物理学的知识。

　　有时，语言表达的是无知而不是知识。例如，“原核生物”这个词，现在被古细菌和细菌代替了。我们预见，生物学的新概念将需要新的语言，这种新语言将建立在数学和来自令人振奋的数据的新发现上。在早期的科学革命中，安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier，1743～1794，法国化学家和现代化学之父——译者注)注意到科学进步必须要克服交流的挑战(就像现在谈论的进化):“如果没有发展科学自身，我们不可能同时发展任何一门科学的语言;另一方面，在没有发展语言或科学术语的情况下发展科学，我们也不能办到。”生物学到了迎接这种挑战的时候了。