你的遗传基因从哪儿来?

一般人都会回答:来自父母。

可是世界上却有一些生物,

它们为了能在极端环境中存活,

或者为了获得更强的技能,

可以从其他生物体那里“偷”来生存的必要基因。

自然界的“基因大盗”-Most01

 ▲供图 / 视觉中国

      这种“偷基因”的生存策略就是所谓的“水平基因转移”。科学家在寻找世界上最顽强的生命形式的过程中,发现了自然界这种独特的生存策略。

为适应极端条件才去“偷”

      在意大利、俄罗斯、冰岛以及美国黄石国家公园沸腾翻滚的硫磺温泉中,生活着一种温泉红藻。这些来自地底的温泉,有的水温高达 56℃,而且含有大量的砷和重金属,腐蚀性极强。大多数植物和动物都无法忍耐如此高温,因为热量会分解蛋白质中的化学键,对酶产生破坏性效果,细胞膜也会变薄破损,进而导致细胞破裂。但是温泉红藻却能够忍耐如此的高温,实属难能可贵。

      这种红藻生命力强大不仅体现在不惧怕高温,还表现出超强的耐酸性,它甚至能在 pH 值为 0 的强酸环境中存活。生物体细胞内的蛋白质和酶会因酸性物质的干扰,使一些生命必需的化学反应发生混乱,而温泉红藻却毫发无损。

      温泉红藻耐盐性和抗毒性也极高,令人惊讶。在盐度极高的环境中,植物细胞会因太多的盐而汲取水分困难,造成脱水枯萎,可它却安然无恙。对于大多数生命形式来说,砷和汞等毒性物质往往是致命“杀手”,但它对这些有毒元素很不以为然。

自然界的“基因大盗”-Most01

▲黄石国家公园沸腾的温泉,“基因大盗”温泉红藻就藏身其中  供图 / 视觉中国

      为了揭开温泉红藻顽强生命力之谜,美国俄克拉荷马州立大学和德国海因里希 - 海涅大学的科学家对它的基因进行了解码分析。让研究人员深感震惊的是,这种红藻的生命秘密可归纳成一个字——“偷”,从其他生命形式那里“偷”来生存的必要基因,而不是从父辈那里遗传。

      在温泉红藻身上,研究人员一共发现了 75 种来自其他细菌和古生菌的基因。虽然并非所有的基因都能给它带来明显的进化优势,但确实有许多可以帮助它在极端环境中生存。一种“偷”自细菌的基因能起到类似“泵”的作用,帮助温泉红藻有效地将砷等有毒物质从其细胞中抽走,使其拥有与汞和砷等有毒化学物质共存的能力。还有一种“偷”来的基因功能相当于“金属运输机”,有助于温泉红藻快速排出有毒金属,同时从周围环境中汲取有用的金属元素。还有的基因可以确保它能忍耐高盐度环境,逃脱因细胞内所有水分被吸光而死亡的厄运。

      在极端环境中生存的绝大多数生物都是单细胞微生物、细菌或者古生菌,它们的生命形式简单,不像其他动物具有那么复杂的生物学特征。正是得益于这种简单性,它们能够更好地适应极端条件,藏身于地层深处、海洋底部、永冻土中或沸腾的温泉等最不适宜生命存在的环境中。

      数十亿年的进化使它们的基因已经发展到可以对付几乎任何事物,如果有其他更为复杂的生物经过,它们有可能找到一种更为有效的进化捷径,比如,去“偷”那些能够帮助它们在极端环境中生存的基因。当外来的DNA融入新的主体(生物体)时,会“劫持”它的生物学系统,促进其产生新的蛋白质,从而帮助新的主体拥有新的技能。如果这种基因转移发生足够频繁,就有可能将新的主体带到全新的进化路线上。它们不用经过数百万年的艰苦进化,能轻而易举拥有这些生存能力。但遗憾的是,科学家还没搞清楚它们是通过什么方式“偷取”基因的。

自然界的“基因大盗”-Most01

▲在进化之路上,居然有生物能靠“偷”来获得所需的基因  供图 / 视觉中国


“偷基因”的例子可能非常普遍

      这种“偷基因”的生存策略被称之为“水平基因转移”,这一概念是相对于“垂直基因转移”提出的。在自然界中,“偷基因”的例子可能比人类想象中的要普遍得多。遗传学一般关心更为普遍的垂直基因转移,但目前的研究表明,水平基因转移是一个重要的现象,它使生物早期的演化关系更为复杂。

      雪藻是另一种会“偷基因”的生物。在极端寒冷气候中,参差不齐的冰晶会刺穿生物的细胞膜,因此必须生成一种可以防止细胞被刺穿的冰结合蛋白。美国内华达大学科学家詹姆斯·雷蒙德绘制了这种雪藻的基因组,发现它的冰结合蛋白的基因与细菌、古生菌、真菌的某些基因极为相似。这些基因很明显是极端寒冷环境中生存的必要基因,因为到目前为止,在所有与冰相关的藻类身上都发现有这种基因,而在较温暖地带任何一种藻类都没有携带这种基因。这表明,雪藻就是通过水平基因转移的方式获取了在极端寒冷环境中生存的能力。

      真核生物也不例外,在南极海冰中生存的微型甲壳类动物就是其中的例子。德国基尔大学极地生态研究所科学家雷纳尔·基科发现,南极一些微型甲壳类动物可以在海冰表层的极寒盐水中生存,为了保证自己不被冻僵,它们会生成一种防冻蛋白,以防止血液凝固。这种蛋白在其他的甲壳类动物身上从未发现过,却与海冰藻的蛋白很相似,由此可见是通过水平基因转移的方式获得的。

自然界的“基因大盗”-Most01

      在人们通常的概念中,光合作用只是植物的“专利”,而动物们只能靠吃掉植物来获取光合作用所生成的物质和储存的能量。然而一种被称为“绿叶海天牛”的海蛞蝓体内,实现了真正意义上的“光合作用”。它依靠摄食获取了本属于藻类的叶绿体,将其置于自己的细胞内进行光合作用。为了让这些叶绿体更好地工作,它甚至还“夺取”了原属于藻类细胞核中的基因。原来绿叶海天牛的幼虫从卵中孵化之后,会游动着寻找滨海无隔藻。一旦找到并开始啃食,它原来无色的身体在 24小时内便逐渐变绿,并最终稳定下来。由此可见,这些叶绿体都是它在取食的过程中,从破碎的滨海无隔藻细胞中“提取”出来的,并放置于消化道细胞之中。

      绿色的绿叶海天牛只要在有光的条件下,就能“忍饥挨饿”长达 10 个月。科学家通过测定,发现它和植物一样能够进行二氧化碳的固定和氧气的释放。绿叶海天牛获取这些叶绿体的真正目的,就是依靠它们来进行光合作用,并让自己能够利用光合作用的产物,成为动物界中独树一帜的“真·光合作用动物”。

      因此科学家认为,“偷基因”可能是自然界一种非常普遍的进化策略。虽然物种进化一直在进行,但“水平基因转移”或将让进化的步伐迈得更大一些。


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自然界的“基因大盗”-Most01

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