從「生命之樹」到「生命之網」

對「生命之網」的認識，我們或許才剛剛開始，圖片來自Scale Free Network

編者按：

150多年前，達爾文提出進化論後，給教廷以及世俗社會帶來全新的認識，儘管圍繞著進化論，爭辯、質疑甚至鬥爭至今不絕如縷，但自然界仍以「生命之樹」上的法則固我前行。

隨著本世紀初人類基因組計劃的成功實施，生命以一種全新的視角展現在我們的面前。基因的平行移動讓生命體從酵母到果蠅，從小鼠到人類，無論是低等生命，還是萬物之靈長都緊密地維繫在一張「生命之網」中。

在這張無形之網中，生命體並非是進化論中提及的完全獨立的個體，而是彼此相互交融。這種全新的認識讓我們失去了「生命之樹」的路標，能否從「生命之網」中理出前行的方向？重新認識自己。

撰文 | 吳家睿（中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所）

責編 | 葉水送

20世紀中葉，美國進化遺傳學家杜布贊斯基（Theodosius Dobzhansky）曾經這樣評價過進化論，「只有從進化的角度才能解釋生物學的事件」。英國生物學家達爾文提出的進化論到今天已有150多年，我們不妨依據此話，也從進化論的角度來看一看科學家對生命的認識吧。

門捷列夫，圖片來自nswers.com

愛因斯坦，圖片來自coinandstampgallery

偉大的科學家都具備一種能力，能把世界萬物都統一在一個框架里。化學家門捷列夫利用元素周期表整理了所有的化學物質；物理學家愛因斯坦則在相對論的基礎上使物質與能量之間划上了等號。同樣，作為世界上最偉大的生物學家之一，達爾文通過自然選擇學說將所有的生命形式納入到同一個起源。在他的進化論里，不論是天上飛的鳥、還是地上跑的獸、或者是水裡游的魚；不論是肉眼看不見的細菌、還是沒有感覺的植物、或者是萬物之靈長的人類，統統來自同一個遠古的祖先。

據最新的研究發現，達爾文在發表《物種起源》的兩年前——1837年，在日記里就第一次用一棵假想的樹勾畫了物種的進化方式。在這棵「生命之樹」 上，樹榦的底部代表最原始的物種，而沿著樹榦向上則形成了許許多多的分枝，分別代表了由最初物種演化而成的不同階段的新物種。「生命之樹」的概念很快就成為了達爾文進化論的標誌。

「生命之樹」對現代生物學的重要性在於，它建立了一個「公理」：從病毒到植物到人類的一切有機體，不論從形態上看有多麼大的差別，其基本的物質構成和活動規律應該沒有本質的差別，因為它們都是從同一個祖先逐漸演化而來的。

顯然，20世紀的現代生命科學的各門學科如分子生物學和遺傳學等都是建立在這個「生命之樹」的「公理」基礎之上。例如，在遺傳物質的發現進程中，奧地利科學家孟得爾通過對豌豆的研究提出兩個基本的遺傳定律；美國生物學家摩爾根在研究果蠅的基礎上提出了第三遺傳定律；而美國化學家艾弗里則通過研究肺炎球菌證明遺傳物質的化學本質是DNA；隨後美國細菌遺傳學家德爾布魯克和盧里亞研究的主要是病毒——噬菌體；而美國科學家沃森和英國科學家克里克用來揭示DNA雙螺旋模型的X衍射圖則來自小牛胸腺的DNA樣品。儘管這些科學家研究的生物材料之間沒有一個是相同的，但是從這些特定的研究材料中獲取的每一項研究成果都被「放之四海而皆準」，適用於所有的有機體，構成了遺傳學和分子生物學的基本定律。也就是說，研究者在研究某一種生物學材料獲得了某種成果後，其成果通常都可以作為基本規律外推至不同的物種；而人們接受這種外推原則的基礎就是「生命之樹」。

從「生命之樹」衍生出來的這一公理不僅是現代生物學的基礎研究必不可少的，而且也是現代生物學的應用研究所離不開的。當研究者在採用遺傳工程技術改造生物體時，一個必要的前提是，通過質粒引入的外來遺傳信息和生物體自己內部的遺傳信息是一致的，而且可以被體內的複製機器或者翻譯機器所利用。當生物醫學工作者在用酵母、線蟲、果蠅、老鼠這些模式生物研究致病基因或者蛋白質時，他們一定相信，在這些物種上研究得到的成果也應該適用於人類。

隨著科學研究的不斷推進，尤其是上世紀末啟動的「人類基因組計劃」的完成，21世紀的生命科學進入到了一個 「後基因組時代」。到2007年年底，已完成或正在進行全基因組研究的物種有1821個，其中包括1497種原核生物和324種真核生物。在這樣一個「後基因組時代」，進化論也有了一個新的發展，即通過比較基因組學，研究者能夠在眾多物種全基因組序列的基礎上去研究物種在進化上的關係和規律。

出乎人們的預料，通過比較物種間全基因組序列，「生命之樹」遭受到了許多挑戰。最大的挑戰來自基因平行轉移（Horizontal gene transfer, HGT）現象的發現，即分類關係相隔極遠的物種間存在著遺傳物質的交換。例如，在人類基因組中，有200多個基因來自細菌基因組，可是在其他真核生物物種的基因組中都沒有發現這些基因。我們知道，達爾文進化論的「生命之樹」是植根於這樣一個假設：遺傳物質只能按照從親代到子代的方式，一代一代地進行垂直傳遞。可是，基因平行轉移現象的發現提示我們，這一假設可能是不正確的。

達爾文進化論的核心問題是「物種起源」。在達爾文看來，物種的形成需要建立沒有遺傳物質交換的生殖隔離；由於遺傳物質的垂直傳遞機制存在，從而實現了生殖隔離。因此，自然界中遠緣雜交應該是非常稀少的。然而，今天的比較基因組學對細菌、動物、植物基因組的比較卻描繪了一幅全然不同的圖景，顯示出異種間的遠緣雜交要比人們原來想像要多很多。如果再將基因平行轉移等情況結合在一起，我們發現，自然界的各種物種之間並非構成一個具有清晰的遺傳遞呈關係的「生命之樹」，而是一個雜亂無章、相互高度纏結的「生命之網」。

顯然，在上一個世紀，達爾文的「生命之樹」曾經是一個很好的研究指南，研究者依據它把形態萬千的有機體組成了一個井然有序的生物世界，根據還原論的指導開展實驗科學研究，並將從一種生物體研究獲得的結果線性地推廣至整個生物界。然而，21世紀出現的「生命之網」卻為人們刻畫出一個複雜的生物世界，在分子、細胞、個體等不同層次有著不同的活動規律，在不同的物種之間的生物分子的活動與功能不能簡單地划上等號。研究者需要新的思維方式，要從線性的簡單性思維轉變到非線性的複雜性思維；研究者需要新的研究思路，要從單一的局部分析方法走向整合了局部分析與整體綜合的系統生物學策略。

也許對當前的研究者而言，最大的挑戰是，如果在老鼠身上驗明正確的理論不適用於人類，理論的出路在那裡？換句話說，如果失去了「生命之樹」的路標，人們能否從「生命之網」中理出前行的方向？

註：本文原載於《科學》雜誌2009年第2期，經作者授權轉發，略有修改。

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