前所未有的进化之路：摒弃基因，开启生物演化新时代

有句老话叫“失即是得”，在演化的过程中，生物们也遵循着这一规则。

【资料图】

“下海”的鲸鱼丢了多少基因

我们已经知道，鲸鱼的祖先原本是生活在陆地上的，由于在陆地上竞争不过其他生物，鲸鱼祖先退居到临水地带，后来它们发现水里天敌稀少，食物丰富，干脆就舍弃陆地，长期生活在水里了。为了更好地适应水下的环境，鲸鱼祖先做出了许多改变，不仅要获得适合水下生活的性状，它也放弃了许多陆地生活需要的特征。

德国马克斯-普朗克研究所的科学家全面比较了鲸目动物(鲸鱼、海豚和鼠海豚等)与其他哺乳动物的基因组，想要寻找二者的不同点。结果发现，除了多了一些适应水下生活的基因外，鲸目动物也在演化过程中丢失了85个基因，在陆生哺乳动物体内，这些基因是必不可少的。

陆生哺乳动物普遍具有毛发，即使像人类这样，毛发的作用已基本丧失，毛发仍未完全消失，但鲸鱼却完全抛弃了毛发。毛发在水中非常累赘，因为在水生环境中毛发会对游动产生阻力，而且在水中毛发也失去了锁住气体以留存热量的功能，鲸鱼的保温功能由厚厚的脂肪层来实现。这样的话，毛发还有留下来的必要吗?

除了毛发，鲸鱼丢掉的还有唾液。唾液有助于润滑口腔、分解淀粉和增强口感，但生活在水里的鲸鱼几乎不需要唾液，海里有源源不断的液体，需要润滑时，张口吞入一口海水就好。而如果鲸鱼拥有唾液，它需要付出更大代价：海水盐度高，为了制造淡水，鲸鱼要不断排盐和减少排水，这些珍贵的淡水要用于保证其他必要的生理活动，而不是用于制造唾液。基于以上原因，制造毛发的KLK8基因和制造唾液的SLC4A9基因就被鲸鱼无情地丢弃了。

在水中用肺呼吸是非常困难的，因为气压的突然变化会伤害肺泡，更严重时肺部还可能发生爆裂，但鲸鱼很好地解决了这一问题，这得益于MAP3K19和SEC14L3两个基因的缺失。科学家发现，没有这两个基因的鲸鱼肺部具有更强大的舒张能力，鲸鱼深潜时肺泡会塌陷，而在浮出水面的过程中肺泡可以急剧扩张。这种弹性有助于鲸鱼在一次呼吸过程中更新肺部90%的空气，且不会造成肺部损伤。

由于用肺呼吸，鲸鱼很难在水中安稳地睡着，毕竟如果无知无觉地沉睡几个小时，就可能淹死在水里再也醒不过来。因此，鲸鱼必须找到一种方法来平衡睡眠需求与水中呼吸的两难问题，它们采取的方法叫做“单半球睡眠”。就如猫头鹰一样，鲸鱼的两个半脑永远不会同时入眠，当一个半脑进入睡眠状态时，另一个清醒的大脑半球要负责控制肢体，时不时浮出水面。科学家发现，鲸鱼之所以能采用单半球睡眠，是因为它丢弃了几个调控与睡眠有关的褪黑激素的产生和传输的基因。

生物们都在“丢”基因

其实不止是鲸鱼，微生物、植物、动物以至人类，在演化的过程中都丢弃了许多的基因。

新加坡国立大学的生物学家格里高利·吉德等人通过基因分析重建了酵母菌的演化历程。他们发现两种单细胞酵母，即发芽酵母和裂殖酵母，与它们的祖先物种相比，分别丢失了数百个基因。这些基因多是调控有氧代谢反应的，因此失去这些基因后，酵母菌得以在缺氧的生境中生长。

拟南芥是植物学家常用的模式植物，研究人员在分析了来自全球各地的拟南芥的基因组后，发现变异程度最高的植株约有66%的基因都发生了不同程度的缺失。但奇怪的是，这些缺失了部分基因的植株生长得竟然比基因更完整的植株更好，这说明，为了适应环境，拟南芥也会主动丢弃部分基因。

动物是食性最复杂的生物，因此继承了祖先的基因后，不同动物得根据自己的食性进行基因的取舍。有一种蛋白质，称为PNLIPRP1，它抑制饮食中消化脂肪的酶，如果没有这种蛋白质，脂肪酶的活性就会提高。因为草食动物需要从脂肪含量低的植物中获得足够的脂肪，所以它们选择丢弃了编码PNLIPRP1的基因，以获得最高的脂肪酶活性。而食肉动物和杂食动物则保留了该基因，确保它们能获取适量的脂肪。

果蝠是一种仅以植物汁液为食的蝙蝠，它的全部生理活动都靠汁液中的糖类来保证，因此必须尽可能地“榨”出食物中的糖并充分利用。胰岛素的作用我们都知道了，这是降低血糖、合成糖原的激素，可以将暂时无法利用的糖类储存起来。这对一点糖类都不舍得浪费的果蝠非常重要，因此果蝠丢掉了抑制胰岛素分泌的基因。

如果将远古人类的基因组与现代智人的比较一下，能得到更加惊人的结果：在演化过程中，人类总共丢失了约4000万对碱基对(数量不等的碱基对构成一个基因)，达到人类全部碱基对的%，这是美国华盛顿大学的研究团队通过比较来自125个不同国家和地区的236名志愿者的基因组图谱得到的结果。

之所以要丢弃这些基因，与适应不同地区的环境变化有关，比如当人类祖先从炎热的非洲大陆前往较冷的欧亚大陆时，就丢弃了约1500万对碱基对。这些基因有的能帮助人类适应不同的气候，有的则用于抵御不同地区的流行病，比如非洲的土著居民携带有抵御由椎体虫引起的昏睡病的基因，其他地区的人则舍弃了这些基因。随着迁徙范围的增大和演化时间的流逝，人类还在不断地舍弃“无用”的基因。

如何找回丢弃的基因

不过，环境是不断变化的，比如现代大气的氧含量比恐龙时代的就要少很多，如果生物将现在“无用”的基因丢掉了，未来又需要这些基因的时候怎么办呢?

不必太过担心，生物们已经发展出了一种能力：从其他生物体内“偷”基因。为了与从亲代处继承基因的方式进行区分，科学家将这种“偷取”基因的方式命名为基因水平转移，细菌、真菌等低等生物能轻松地从其他生物身上“偷”基因，动植物中这一现象相对较少，但也曾经发生过。

基因水平转移这一现象最早是在导致肺炎的链球菌中发现的。1928年，英国细菌学家格里菲思将非致死性肺炎链球菌与加热杀死的致死性肺炎链球菌一起注射到小鼠体中，他惊奇地发现，小鼠最终因感染肺炎死去了。格里菲思将小鼠血液中的细菌培养出来观察时，发现非致死性的肺炎链球菌已经转变成了致死性的。后来的研究发现，非致死性肺炎链球菌之所以发生了这一转变，是因为从致死性肺炎链球菌中获得了相关的基因。此外，科学家们在嗜血杆菌、芽孢杆菌和根瘤菌等细菌中均发现了这种基因水平转移现象。

为了生存，酵母菌也会从同类身上“偷”基因。葡萄牙里斯本大学的生物学家卡拉·贡萨尔维斯敲除了酵母菌的生产酒精发酵酶的基因，然后将这些酵母菌与正常酵母菌培养一段时间后，投到啤酒中去。通常来说，如果没有酒精发酵酶，酵母菌就无法代谢酒精，无法在啤酒中生存，但是卡拉发现，基因敲除后的酵母菌也能在啤酒中生存下来，它已经从正常酵母菌身上“偷”到了生产酒精发酵酶的基因。

嫁接是现代常用的一种植物培育方法，通过将一株植物的枝或芽，转接到另一株植物的茎或根上，就能获得一种全新的植株。在嫁接的过程中，植物也会发生基因水平转移。德国生物学家拉尔夫·博克将两种具有不同的抗生素抗性基因的烟草嫁接成一株，培育一段时间后，将两者嫁接处的一段茎切下，放到含有两种抗生素的培养基中。如果不同时具有两种抗生素抗性，这些植物细胞就会被杀死，但事实上，培养基中长出了许多具有双重抗性的烟草植物细胞。

动物也许不会主动“偷取”基因，但动物细胞也可以接收外来基因，比如某些病毒可以将基因插入宿主细胞的基因组中，而宿主细胞会将这些外源基因误认为自己的基因，并按照这些基因的指导来合成蛋白质。如果这些基因产生的蛋白质具有某种生理功能，它就可以改变宿主细胞的生理过程;如果这些外源基因入侵的是生殖细胞，它还可能通过生殖过程被传递给下一代，这样宿主细胞的基因组就发生了永久的改变。

除了获取基因，丢弃基因也是生物演化的重要方式，而如果丢弃基因后又“反悔”的话，生物也还有可以弥补的方法，生物演化就是如此奇妙。