美科學家：自私dna在進化中起什么重要作用

美科學家：自私dna在進化中起什么重要作用

自然界中的基因有千萬種，哪類基因最為常見和最為豐富?由美國南佛羅里達州立大學、圣迭戈州立大學和芝加哥大學科學家組成的研究小組在對大量基因組進行成功解碼后找到了答案，那就是有“自私dna(脫氧核糖核酸)”之稱的轉(zhuǎn)座子。轉(zhuǎn)座子基因的豐度和廣度表明，它們在進化和生物多樣性的保持中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

轉(zhuǎn)座子因其獨特的行為在科學界獲得了諸多“名號”。目前僅知的功能就是到處傳播自己，故有人昵稱其“自私基因”;根據(jù)轉(zhuǎn)座子可在生物體內(nèi)或生物體之間移動，并產(chǎn)生不斷變化的遺傳物質(zhì)的特性，也有人將其叫做“跳躍基因”。南佛羅里達州立大學海洋科學學院研究員米亞?布賴特巴特稱，轉(zhuǎn)座子還有個稱呼叫“剪貼基因”，它們能持續(xù)地改變和移動，有時甚至還能將其他基因一起帶來。

此項發(fā)表在最新一期《核酸研究》上的發(fā)現(xiàn)之所以引起廣泛關(guān)注，不僅是因其給這些常見的dna片段帶來了新的認識，還在于科學家們在該項目中所進行的大規(guī)模的計算。該項目由圣迭戈州立大學牽頭，使用了阿貢國家實驗室的一臺目前世界上最快的計算機用于測序分析。研究小組對數(shù)千種細菌、古細菌、真核和病毒的基因組序列以及數(shù)千種環(huán)境群落宏基因組中的蛋白編碼基因和基因標簽進行了分析。

布賴特巴特說，科學家們常在研究項目中使用轉(zhuǎn)座子基因來進行各種實驗，以對研究的生物體內(nèi)的基因?qū)嵤┳儺悺⑵茐幕蚴乔贸?。但轉(zhuǎn)座子也能帶來新的功能，并創(chuàng)造出生物體內(nèi)的多樣性。研究人員表示，轉(zhuǎn)座子基因在基因組中是如此的無所不在，以至于它們常常被忽略。它們能從一個地方遷移到另一個地方，引發(fā)出通常而言是有害的變異和重組，但偶爾其也能幫助生物體存活。

生物學教科書一般認為在光合作用中能固定二氧化碳的酶是地球上最為豐富的酶，也據(jù)此推測能對這種酶進行編碼的基因也應(yīng)當是最豐富的。共同研究者之一、開羅大學的拉米?阿齊茲表示，科學家們都會期待那些重要的基因會出現(xiàn)在自然界最豐富基因榜的前列，不過研究卻發(fā)現(xiàn)，被某些科學家稱為“垃圾dna”的轉(zhuǎn)座子反倒統(tǒng)治著已知基因世界。

不過，轉(zhuǎn)座子基因在整個自然界中并非均勻分布，有些基因組中有許多轉(zhuǎn)座子基因，而另一些基因組中則缺失轉(zhuǎn)座子基因。布賴特巴特表示，科學家們才剛剛開始理解轉(zhuǎn)座子在環(huán)境中的存在和作用，這些極其成功的基因正到處擴散其dna，制作大量的副本并侵入所有類型的生命體。

在此前的研究中，已知轉(zhuǎn)座子在人類基因組中占據(jù)40%的份額，不過從沒有在不同生態(tài)系統(tǒng)中對其進行綜合評估。阿齊茲表示，現(xiàn)在人們終于知道，在截至目前所采樣的幾乎每個生態(tài)系統(tǒng)中都有大量的此類基因存在，這些基因加速了變異和多元化的進程，從而驅(qū)動了不同生物體的進化。

為什么科學家認為有性繁殖是生命進化史中重要的一環(huán)？

在地球從早期的混沌到后來的平穩(wěn)過渡階段，生命的出現(xiàn)給這個死氣沉沉的世界帶來了顏色。而在真正的細胞（真核細胞）形成前，生命所需的各種能量都有磷酸化合物傳輸，遺傳也主要靠RNA來實現(xiàn)，DNA更多的是控制生物的生殖以及蛋白質(zhì)的形成。在那個階段，地球上某些地域的水都是沸騰的，那些細菌卻能自由的生活其中，以硫磺為食。那些細菌在當時的地位，就像現(xiàn)在人類的地位一樣。

氧氣：廢棄物還是必需品

后來的一次進化中，有些細菌的黏液團中開始出現(xiàn)某種細胞，它們竟然能利用光源從二氧化碳中獲取能量，同時排放出氧氣。但那時的氧氣就相當于一種廢棄物，這就是這個世界里出現(xiàn)的最重要的進化突變現(xiàn)象。慢慢地，這些細菌開始聚集在一起形成席狀物，生命進化的大部分時間就在這些席狀物里。因為它們被包裹于黏團中，所以不會受到紫外線的輻射。經(jīng)過漫長的進化，數(shù)億年后，這些我們現(xiàn)在看起來低端的微生物細菌，最終進化成了人類。

而那些從光合作用中釋放出來的氧氣慢慢的與原始大氣結(jié)合，最終改變了原始大氣的構(gòu)成結(jié)構(gòu)，而那些對微生物來說是致命的氧氣，反而成了后來生物最需要的東西。如果沒有當時這一系列的變化，生命的進化也一定是停滯不前的。細胞融合的方式也有了新的發(fā)展：較大的細胞將細菌融入體內(nèi)，這樣的話，原來那些能夠進行光合作用的細菌就變成了細胞中能進行光合作用的細胞器。從此以后，隨著新物種的不斷出現(xiàn)，地球也開始變得更加多姿多彩起來。

遺傳的優(yōu)異性：分裂生殖和有性生殖

生命在遺傳方式上，有過一個重要的分割點，這就是有性生殖和分裂生殖的分割點。有性生殖也是生命進化史上重要的一環(huán)，它的優(yōu)勢在于，后代能從父母雙方的細胞中獲得遺傳物質(zhì)，然后結(jié)合成一個新的生命體。這種交互作用讓新的生命體繼承了父母雙方的多種特性，自然物種的多樣性當然也就增加了。這種遺傳方式其實對生物進化來說是個福音，所以成為后來生物繁殖的主要方式。

細菌的繁殖更簡單，它們通過細胞分裂來實現(xiàn)，這就是一種無性生殖?？茖W家認為，有性生殖在生命進化中有著至關(guān)重要的意義，甚至比DNA在生物遺傳中起到的作用都更大。至于有性生殖是如何起源的，科學家至今也還沒有答案，但可以確定的是，有性生殖已經(jīng)具有漫長的歷史，甚至可以從寒武紀早期的化石上看到有性生殖的特征。

所以，有性生殖之所以能成為生命進化史上的重要一環(huán)。答案是簡單的，生命因有性生殖的存在而變得豐富多彩；同時答案又是神秘的，至今我們也沒有找到有性生殖是怎樣起源的。也許再過很久，世間的繁衍方式還會出現(xiàn)新的變化，或者就此消亡。但只要地球還依然存在著，這里的原始細胞就還會再度繁衍下去，直到地球也消失的那天。

論述環(huán)境基因組學的意義和研究的主要內(nèi)容

現(xiàn)代遺傳[1]學家認為，基因是DNA(脫氧核糖核酸)分子上具有遺傳效應(yīng)的特定核苷酸序列的總稱，是具有遺傳效應(yīng)的DNA分子片段?；蛭挥谌旧w上，并在染色體上呈線性排列?；虿粌H可以通過復(fù)制把遺傳信息傳遞給下一代，還可以使遺傳信息得到表達。不同人種之間頭發(fā)、膚色、眼睛、鼻子等不同，是基因差異所致。人類只有一個基因組，大約有3萬個基因。人類基因組計劃是美國科學家于1985年率先提出的，旨在闡明人類基因組30億個堿基對的序列，發(fā)現(xiàn)所有人類基因并搞清其在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息，使人類第一次在分子水平上全面地認識自我。計劃于1990年正式啟動，這一價值30億美元的計劃的目標是，為30億個堿基對構(gòu)成的人類基因組精確測序，從而最終弄清楚每種基因制造的蛋白質(zhì)及其作用。打個比方，這一過程就好像以步行的方式畫出從北京到上海的路線圖，并標明沿途的每一座山峰與山谷。雖然很慢，但每一座山峰與山谷。雖然很慢，但非常精確。隨著人類基因組逐漸被破譯，一張生命之圖將被繪就，人們的生活也將發(fā)生巨大變化?；蛩幬镆呀?jīng)走進人們的生活，利用基因治療更多的疾病不再是一個奢望。因為隨著我們對人類本身的了解邁上新的臺階，很多疾病的病因?qū)⒈唤议_，藥物就會設(shè)計得更好些，治療方案就能“對因下藥”，生活起居、飲食習慣有可能根據(jù)基因情況進行調(diào)整，人類的整體康健狀狀況將會提高，二十一世紀的醫(yī)學基礎(chǔ)將由此奠定。利用基因，人們可以改良果蔬品種，提高農(nóng)作物的品質(zhì)，更多的轉(zhuǎn)基因植物和動物、食品將問世，人類可能在新世紀里培育出超級物作。通過控制人體的生化特性，人類將能夠恢復(fù)或修復(fù)人體細胞和器官的功能，甚至改變?nèi)祟惖倪M化過程。 20世紀被很多人認為是物理學的世紀。我很欣賞這樣的描述：這一世紀從人類認識物質(zhì)的基本組成———原子結(jié)構(gòu)開始。原子彈爆炸與人類登月是這一世紀最輝煌成就的一部分，而最后以最簡單無機硅制造的馬鈴薯芯片(Chip)使人類進入了信息時代！ 20世紀還孕育了另一個世紀：這是從我們重新發(fā)現(xiàn)生命的最基本信息———基因開始。50年代的遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的提出與70年代遺傳工程技術(shù)的成立使之趨于成熟，而90年代開始的國際人類基因組計劃把人類帶進了另一個世紀?，F(xiàn)在我想以人類基因組計劃的發(fā)展來談一談人類在自然界中的位置，再談自然與“人為”的問題。 從前，當我們討論“科學是雙刃劍”時，我們關(guān)心的僅僅是人類的敵人可能也會揮起這柄劍，如希特勒、如山本五十六?，F(xiàn)在，我們的問題一下子復(fù)雜起來了。我們的法律一下子在克隆人類等新問題前變得無所適從，或無能為力。我們把它們歸咎于道義或倫理問題。實際上，就是自然與人為的問題。人類基因組計劃在科學上的目的，是測定組成人類基因組的30億個核苷酸的序列。從而奠定闡明人類所有基因的結(jié)構(gòu)與功能，解讀人類的遺傳信息，揭開人類奧秘的基礎(chǔ)。由于生命物質(zhì)的一致性與生物進化的連續(xù)性，這就意味著揭開生命最終奧秘的關(guān)鍵，也就是人類基因組計劃的所有理論、策略與技術(shù)，是在研究人類這一最為高級、最為復(fù)雜的生物系統(tǒng)中形成的。規(guī)?；褪请S著人類基因組計劃的啟動而誕生，隨著人類基因組計劃的進展成功而發(fā)展的“基因組學”。生物學家第一次從整個基因組的規(guī)模去認識、去研究，而不是大家分頭一個一個去發(fā)現(xiàn)，基因研究將是基因組學區(qū)別于基因組(genetics)與所有涉及基因的學科的主要地方?；蚪M規(guī)模也改變了經(jīng)典的實驗室規(guī)模，改變了原有的實驗方式，這也許是“國際人類基因組計劃”只有6個正式成員國與16個中心的原因之一。生物的序列化即生命科學以序列為基礎(chǔ)。這是新時代的生命科學區(qū)別于以前的生物學的最主要的特點。隨著人類基因組序列圖的最終完成，SNP(單核苷酸多態(tài)性，即序列差異)的發(fā)現(xiàn)以及比較基因組學古代DNA、“食物基因組計劃”、“病原與環(huán)境基因組計劃”(主要是致命致病學)以及與之有關(guān)的人類易感性有關(guān)序列的推進，有科學、經(jīng)濟、醫(yī)學意義的主要物種的基因組序列圖都將問世。我們從序列中得到的信息，已經(jīng)比到現(xiàn)在為止的所有生物研究積累的信息還要多。生物學第一次成為以數(shù)據(jù)(具體的序列數(shù)據(jù))為根據(jù)與導向，而不是再以假說與概念為導向的科學。即使進化這一生命最實質(zhì)的特征以及進化的研究，都把因多種模式及其他生物的基因組序列為基礎(chǔ)。古代DNA的研究，也不再是因時間與過去了的環(huán)境而惟一不能在實驗室重復(fù)的進化研究，從而揭示生命進化的奧秘與古今生物的聯(lián)系。這就幫助人們更好地認識人類在生物世界中的關(guān)系。生物的信息化，是借助于電子計算機的威力，也借助于把地球變小的網(wǎng)絡(luò)。沒有它們，國際人類基因組計劃的協(xié)調(diào)與全世界的及時公布是不可能的。沒有全部的軟件與硬件，人類基因組計劃一切都不可能。序列一經(jīng)讀出，它的質(zhì)控、組裝，以至于遞交、分析都有賴于生物信息學，而現(xiàn)在開始，序列的意義完全決定于生物信息學。沒有電子計算機的分析與正在爆炸的信息的比較，序列又有何用？人類基因組計劃之所以引人注目，首先源于人們對健康的需求。疾病問題是自然影響健康的首要因子，是每一個人、每一對父母、每一個家庭、每一個國家政府所不得不考慮的問題。因為人類對健康的追求，從來都不曾懈怠過。 基因工程的意義 （一）遺傳工程的用途主要是用來形成自然界中沒有的生物新品種、新物種，進而利用這些生物生產(chǎn)人類所需要的其他產(chǎn)品。當前，生物學中富有尖力的基因工程技術(shù)正以驚人的速度發(fā)展著，其中如DNA序列測定技術(shù)、基因突變技術(shù)以及基因擴增技術(shù)等一大批新技術(shù)正在逐漸走向成熟。下面我們只是簡單介紹一下基因工程的基本技術(shù)的應(yīng)用。 二十多年前誕生的基因工程使整個生物學科學、生物技術(shù)進入了一個新的時代，傳統(tǒng)的生物技術(shù)與基因 工程的結(jié)合，煥發(fā)了青春，產(chǎn)生了富有無限生機的現(xiàn)代技術(shù)。 例如，從前用原來的生物技術(shù)要獲得1毫克生長激素抑制素，需用10萬只羊的下丘腦才行，其所耗費資金的數(shù)量，與航天領(lǐng)域中，借助于載人飛行器阿波羅宇宙飛船從月球上搬回1公斤石頭相當?，F(xiàn)在，借助于基因工程，就簡單多了，所需費用也小得多，只要2升細菌培養(yǎng)液就可以了。我們將人工合成的人生長激素抑制素基因，通過重組成為一個高效表達載體，它們在大腸桿菌中進行表達，只需要10升這種重組的大腸桿菌培養(yǎng)液，就可以獲得到了。 （二）基因工程可用于醫(yī)療。例如，許多人生病是因為體內(nèi)缺少一定量的某種抗體。用傳統(tǒng)的方法來制備抗體，時間長耗資大，而且不夠穩(wěn)定。1989年，美國生物學家運用基因工程技術(shù)，將獲得抗體的重鏈基因和輕鏈基因進行基因重組，并使之轉(zhuǎn)入煙草細胞，利用植物細胞組織培養(yǎng)技術(shù)，培養(yǎng)出了轉(zhuǎn)基因煙草。這樣，在煙草葉片上就能夠產(chǎn)生占葉蛋白總量1.3％的抗體，這些抗體足夠27萬病人使用1年！ 基因工程前景廣闊，各國科學家都在加緊研究。我們國家的基因工程研究，與國外相比，雖起步較晚，但也獲得了較大的發(fā)展，取得了一定的科研成果。例如，已經(jīng)研制成功和正在研制的基因工程產(chǎn)品就有幾十種，有些已經(jīng)投產(chǎn)并開始使用，如基因工程α—干擾素，基因工程乙型肝炎疫苗等等。 總之，基因工程及應(yīng)用給傳統(tǒng)生物技術(shù)帶來了徹底的革新，而且其應(yīng)用范圍仍然在不斷加深、擴大，前景是十分誘人的。它等待著我們這一代青少年，去探索，去實踐，從而取得更大的成功。

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