上一篇 / 下一篇 2009-07-22 16:53:15 / 个人分类：遗传学
获得性遗传－生物进化的真正法则
2009年6月15日 9:57:10
chuyonghu<chuyonghu@126.com>
杨老师：您好。
在网上看到您的系列文章，很受启发，相见恨晚。我最近也写了一篇有关文章，也是多年的思考。奉上，望批评指正，不吝赐教。希望以后能多联系。
6月15
《获得性遗传－生物进化的真正法则》
前言
先天突变还是后天获得
自然选择还是用进废退
生物进化的内在动力
生物体机能大分子的进化，支持获得性遗传进化路线
一、基因(DNA)进化
二、蛋白质进化
三、基因调控的进化
获得性遗传形成的分子机制
一、中心法则逆向途径存在与否是问题的关键
二、逆向中心法则可能存在吗
三、生物信息的真正发生处在哪，DNA还是蛋白质
四、生物进化史揭示DNA是进化的产物,DNA突变不是进化之源
五、信息从RNA流向DNA的证据
六、尚不清楚的过程
突变和选择在进化中的地位
突变是无序过程,生物进化是一个自组织系统的有序过程
选择的作用有限,选择的主要作用不是决定了进化方向而是排除了无序
前言
大千世界,芸芸众生,今天显现在我们面前丰富多彩的生物世界是怎么发展而来的,进化的原动力是什么?这是个争论已有两百年的老话题。
1809年拉马克提出了获得性遗传的论点，即生物体为适应变化的自然环境而后天获得的性状变异是可以遗传的。这种性状变异不是先天的而是后天发生的，是环境引起的，是方向一定的，机理是用进废退；
另一观点是由达尔文、孟德尔发起（1809年又恰是伟大达尔文的诞辰年），由新达尔主义完善，认为进化的本源是基因突变加自然选择。他们认为变异分两种，受环境影响的变异有一定方向，称为一定变异，相当于拉马克的获得性性状，是不可遗传的。另一种变异是在一个群体中个体可能都不一样，这是由基因突变引起的，这种突变是先天的、随机的，与环境的影响无关，所以叫不定变异。不定变异是可遗传的，进化的方向由选择决定（自然的和人为的），主要机理是适者生存。
随着时间的推移，拉马克的观点被认为缺乏实验依据，渐渐退出学术界之流，后一种理论逐渐成为主导，特别是分子中心法则的确立，即信息流向是从DNA到RNA，再到蛋白质，而基本没有发现逆向流向，更确定了其不可动摇的地位。
近代，随着统计学、分子生物学介入遗传学的研究，又提出一些新的学说，但只是对突变加选择学说的补充和进一步发展，并没有改变上述争论的格局。为简化起见，就不赘述了。
可是事情并没有那么简单，主流观点从一开始就留下了种种疑点，随着近几十年来分子生物学的发展，蛋白质组学，基因测序的展开，揭示了许多DNA、蛋白质的秘密，许多迹象都显示了生物进化和突变选择理论是相悖的，这个相悖并不是局部上的一些不足，也许这个理论根本就没有从总体上、本质上握住生物进化的深层法则。相反对立的理论却很有可取之处，现在需要用新的科学进展重新检讨一下这两个老的理论，或许可以得出全新的结论，本文写下了我自己的一些思考，在这方面做了一些初步尝试，以期和同仁们进一步探讨。
第一节 先天突变还是后天获得
上中学，生物课老师讲进化论时，举了突变加选择的例子，比如多风的小岛上苍蝇为什么都是短翅的，因为决定苍蝇翅的基因可以向两个方向突变，更长和更短，大风把具有长翅基因的突变型都吹到海里去了，一代代下来，苍蝇的基因型发生了变化，只剩下短翅基因的了。
人的进化也遵循这个规律，人在从其远祖鱼类，经两栖类，爬行类，哺乳类，猿到人的进化过程中，也是基因发生了变化。摒弃的无用器官和体征随着决定其发生的基因的退化和改变而消失，新的器官和体征随着新基因的进化出来而出现。
粗看之下，没什么问题，可只要稍稍的了解一下人的胚胎发育过程，问题就来了。人在胎儿的发育过程中把在进化中摒弃的器官和体征又重新出现了一遍，然后再丢掉。早期胚胎像鱼一样有长长的鱼尾，出现腮裂，随着发育，出现四肢后还出现浓密的体毛，像人的近亲猿一样，只是在出生前不久，尾巴才消失，体毛才褪掉，成了人形，这就是有名的重演律——是贝尔和海克尔在比较了脊椎动物胚胎发育后发现的现象。即个体在发育过程中重现了物种系统进化的历史。
青蛙的发育使我们可以直观的看到这一现象，它的幼体蝌蚪有鱼一样的体型，用腮呼吸，完全生活在水中，随着长大，生出了四肢，肺逐渐代替了腮，最后爬到岸上，脱掉长长的尾巴，发育成熟了。
问题在于，用突变说解释，我们认为退化和丢掉的基因其实还在，如果真有什么变化，似乎只是这些基因的调控发生了变化。按现在的知识，我们知道基因一般指结构基因，就是可以编码蛋白质，获得表达的基因，也确实有控制结构基因表达的调控部分，也就是说结构基因并没有多大的变化。
问题又来了，既然是突变，发生的位点应该是随机的，为什么只发生在调控部分，而不发生在结构基因上。发生在调控部位的突变又怎能做到循续有序的调控结构基因的表达和关闭，使个体发育能呈现出系统进化的表达，显然以前学的知识是很难回答这些问题的。
生物个体发育是其基因的全面表达过程，这个过程揭示了基因许多不为人知的秘密，包括基因进化可能的演化方式。重演率揭示出生物进化似乎不是我们传统理解的是遗传基因的改变式进化，更像是遗传基础的添加式进化。那么哪一种进化方式更可能带来这样的后果呢？我们先分别假定两种进化方式都成立，具体演示一下进化过程，看两种进化方式分别会给基因进化带来什么样的可能变化，简单从字面理解，突变就是改变，获得似乎和增加新内容有关。
突变加选择的进化模式如果存在，那么基因在个体发育前已经发生了突变，适应和不适应新的环境的基因型已经存在，只要通过选择确定其存留就行了。新基因的产生是从老基因的变化而来，新的进化是通过对旧的遗传基础的否定而来。新的基因出现与后天环境变化影响发生的一定变异无直接关系，新老基因之间无直接继承关系。
如果生物进化是获得性遗传的过程起作用，那么在生物个体发育前，老的遗传基础没有发生变化，在发育后的生命过程中，生物为应对变化的新环境，最初还不得不依靠老的遗传基础，也只能利用这些老基因，开发出适应新环境的新性状，获得性状，并逐步发展出和这些新性状相对应的新基因结构。这些基因上的变化究竟怎么变，我们现在还说不清楚，对老基因的利用只能是在表达上重新调配，关闭一部分，重复启动一部分，形成不同的搭配，因此大概的方向可能是在调控上，或许还有调控重组，我们知道相同基因的不同组合可以有不同的功能。比如人在研究植物花型的构造时发现了著名的“ABC模型”，即A基因只决定萼片，A基因和B基因同时作用决定花瓣，B基因和C基因同时作用决定雄蕊，C基因本身决定表皮。还可能发展出新的基因也说不定，我们后面还要详细的讨论。现在基本可以明确的是新的变化不是靠否定旧的遗传基础而来，而是在旧基础上发展而来，应是在保留旧基因的基础上添加新内容。新旧基因应该有亲缘关系。新的基因变化不是和环境及一定变异的性状无关，而是明显接受了环境信息和一定变异相对应的变化，也是后天获得的。正因为每一步新的基因进化都是在旧基础上的依次添加，所以个体发育表达时，进化史上发生过的每一步变化都不可能被丢掉。表达的有序性还在于每一步新的进化都是针对一个特定环境而来，它的表达也只在这个特定内外环境重现时再现，以前的发育基础是后面发育发生的条件。这些正是生物发育过程中重演率出现的遗传基础。发育上的表达是按进化上的次序循序有续的进行，先发生的先表达，进化中晚出现的器官和体征总是在发育的最后阶段完成。而如果进化是由突变的机制决定的，重演就不可能发生，因为旧遗传基础本身的改变，进化中的某一阶段就可能被丢掉，重演可能变成间断的跳跃式的，进化中的某些性状可能不按进化次序的突然出现，可是我们看到的现象并不是这样的。
生物进化上有一个规律，叫进化的不可逆规律，对大量的古生物和现代生物的研究都证明了这一点，生物进化只能从低等到高等，不可能从高等退回到低等。如果某种生物适应新的生活条件失去或退化了某些器官，如果再回到原先的生活条件，这些器官会恢复吗？也不会。比如龟，鲸类又返回到水中生活，腮并不能恢复，呼吸还是只能靠肺。为什么呢？如果进化真是由突变决定的，龟、鲸一点点恢复腮的功能并非没有可能，毕竟发育中腮的痕迹还在。也就是说决定腮的结构基因还在。可惜决定进化不可逆规律的机制本质上和决定重演率的机制一样，即生物进化是在保留旧遗传基础上不断的添加新内容。这一点决定了进化中获得的一切在都不可能轻易的丢掉，靠肺呼吸这一特定生理时期在生命的一定阶段是必然要出现的；同一阶段腮的功能必然是被关闭的。这一阶段对重返水中的生物想轻易转变呼吸机制是致命的，不可逾越的。只能从发展别的机制找出路，比如说提高肌肉和血液的含氧量。
科学研究已经证实，基因的进化确实是在保留旧基础上的不断添加，发展式（增加新的器官或性状）进化是如此，退化式（丢掉一些器官或性状）进化也是如此。高等生物基本保留了进化中获得的所有遗传信息，不用的基因没有丢掉，只是在调控中增加了关闭程序。据估计人类基因中90%处于关闭半关闭状态，半关闭的在发育中有时会有条件的表达，成了重演律的基础；有些关闭不严的出现了返祖现象。
事实证明生物的实际进化走的是获得性遗传的进化路线，突变论所描述的进化方式似乎并没有实际发生。
第二节 自然选择还是用进废退
某些动物的退化器官，似乎很难用选择来解释。比如人有一个退化的盲肠，盲肠本来用来消化粗纤维含量高的食物，可以扩大食物的来源。生活在地下的鼹鼠眼睛基本上是瞎的。这些能说是选择的结果吗？要知道人类社会在不远的过去还是经常发生饥荒的，动辄成千上万的人饿死。鼹鼠虽说长年的生活在地下，但一生中也有可能数次被迫到地面上来，比如洪水季节。
如果人有一个功能健全的盲肠，鼹鼠有一双明亮的眼睛，无疑都会大大提高生存的机会。大自然没有理由选择退化的器官，更合理的解释是用进废退。人进化成杂食动物后，鼹鼠选择地下生活后，这些器官平时就不经常使用了，所以就无可挽回的衰退了
动物有许多器官的形成是典型的用进废退。比如人手经常劳动。脚经常走路，由于局部皮肤摩擦变厚形成胼觝，手掌和脚板的特殊皮肤明显和周边皮肤有所区别，显然这些性状得到了遗传，但这种局部皮肤变厚的性状其适应意义并没有达到适者生存的地步，不具备基因型的选择效果，除了用进废退还真不好有别的解释。
不只局部皮肤的适应性，手指和脚趾的形态结构也和其抓握，走路的功能高度适应，不由不让人想到用进废退。我们再看看不同动物在同样这个部位都有些什么进化表现。猛禽进化出捕猎的利爪；水禽有带蹼的划水的桨；马为了快速奔路，只剩中趾且变粗，好似腿骨的延伸，其余四趾退化不见；鲸类前肢进化成鱼样的鳍状肢，后肢退化不见；指猴为了能在树洞中抓虫子，食指和中指进化成又细又长的铁丝钩样，和其它用于抓握的指截然不同；蝙蝠的趾则大大的延长，成了翼膜的支架，进化成用于飞翔的工具；这一切各异的变化真的是突变形成的吗?我们可能事先连做梦也想不到，相同的部位在突变的方向上竟有那么多的可能性，本来抓握行走的工具竟可以跨界发展成专用的飞翔戏水的工具，真是随心所欲的变化。话说回来，既然有那么多的突变可能性，对某一特定物种，向某一方向进化时，你所期待方向的突变发生概率又有多大呢，可能微乎其微了。突变作为一个随机事件，发生的分布规律一般应该符合正态分布，也就是说突变分布是围绕着平均数分布的。由于分布的趋中性特点，要想通过选择使变化向一个方向持续不断的发展是很难的，可是我们都看到了，动物器官向一个方向的发展变化似乎并不难。由于需要，蝙蝠的指（趾）发展的比臂还长。不仅局部可以特异性的发展，局部与局部，局部与整体的配合也令人叫绝。像鲸的鳍状肢，整体结构与形状特别有利于功能的发挥，该大则大，该小则小，厚薄有致，流线造型可以说是完美无缺。难道不同位点的突变也可以配合着发生吗，这样的突变概率又有多大呢，可以断言这样的突变基本不可能发生。
你相信这些器官的形成是选择的结果吗？前面说过的手掌形成的局部厚皮不具备基因型的选择效果，这还是说手掌的进化已经定型了，尚不具备选择效果。新达尔文派认为在进化上大多数性状都是对微小变异的选择积累而成的。事实上大多数微小的差异根本构不成基因型选择效果。谈到选择，大多数人有一种误解，认为选择只是对某一性状的选择，错了，选择其实是对生物个体整体而言的，是对一个生物能否生存或能否留下后代而言的。生物能否生存受多种因素的影响，也就是说许多性状共同决定其能否生存，除非单一性状作用大到能起决定性的影响。我们上面举得例子都是些微效性状和非加性选择性状都不可能大到起决定性作用。一个生物可能好不容易突变出了一个性状的有利变异，但整个生命可能随另两个不利性状的出现而消逝了。所以对某一个性状的选择可能从一开始就不存在，更甭谈效果的积累了。
如果真是靠突变加选择可能生物的进化根本就不会发生，那么上面例子中动物器官是怎么进化出来的呢？生物进化有功能和结构统一的规律，是大量事实观察的结论。功能创造结构，结构决定功能，两者循环促进是推动生物进化的实际动力。用进废退是功能结构统一规律的另一种说法。以上举得例子都是功能需要，经常使用，推动结构相应变化的典型。
第三节 生物进化的内在动力
前两节初步介绍了获得性遗传的概念，用其解释生物进化现象的合理性。概括说获得性遗传一方面指环境对生物进化有直接的影响力，另一方面指生物有对环境主动适应趋向协调的能力，这正是推动生物进化的原动力。鲸的鱼状鳍的进化正是要适应水中这个特殊环境，划水时独特的用力受力方式，才推动前肢发展成了鳍状。功能结构的统一也是环境的推动，功能是适应环境的要求，结构是适应的结果。
据说达尔文创立了进化论后，常常照着镜子百思不得其解，眼睛这个精致器官是怎么出现的。确实，除了环境的定向塑造和生物机体主动适应协调，靠突变加选择是不可能从无到有，从低级到高级的创造和发展一个个如此完美的器官的。
到此我们举得例子都是动物的局部器官，可以直接受环境影响，那么动物身体内的器官是怎么发生的呢？生物从单细胞向多细胞统一体的进化中其关键步骤，细胞分化是怎么产生的呢？这些困惑人的问题，其推动力难道也是机体对环境的适应吗？我们给予肯定的答案，是的。机体对环境的协调适应对生物进化的影响远比我们原先想象的要大，我们只需引入内环境的概念一切就很好理解了。
前面例子中的环境是生物作为一个整体相对应的外部环境，如果从生物体内一个细胞，一个器官的角度考虑，它所接触的外环境只能是这个机体的体内环境。同样，单个细胞的细胞膜内又构成了胞内环境，相对于胞内细胞器的外环境。不同的细胞之间又互为对方的外环境。内外环境的概念是相对的，相对于什么主体来说。细胞器，细胞，组织，器官还是生物个体整体所处的环境是有区别的，但在进化上它们遵循的机体和环境协调适应的原则是一致的，这没什么奇怪的。生物体内体液模仿的环境就是单细胞生物诞生地古海洋的环境，现在一个细胞面对的环境和其祖先单细胞生物面对的环境是一样的。有细心的读者可能会不太同意，海水那么咸，怎么和体液是一样的呢.注意这里说的是古海洋，亿万年过去，水汽循环，江河水溶解了大量矿物质，冲刷进海里，沧桑巨变，海洋早已今非夕比了，唯独生物体，不管动物还是植物，不管生活在陆地，海洋还是沙漠都无一例外的顽强坚持着和古海洋一样的等渗溶液，生理盐水和葡萄糖一样的等渗浓度，这种重演本身就是一个生物进化不可逆的实例，话收回来，继续我们的讨论。
生物在从简单的单细胞向多细胞生物进化时，马上必不可免的形成了与体外环境有很大差异的新环境——内环境。外环境复杂多变，不稳定；内环境稳定，专一，同时又多样化。多样是专一带来的，本来多变，由于专一，区别形成多种不同的环境。处于不同环境中的细胞要分别与之所处的环境协调适应，于是最初的分化分工产生了，内环境的稳定专一，保证了分化的稳定进行。比如最简单的原始多细胞动物——腔肠动物，最外层的细胞面对的是和本机体截然不同的千变万化的外部环境，外层细胞就要分化出主要行使隔离保护的功能。比如外皮细胞。而腔肠内皮细胞主要面对的是包裹的食物等更原始的有机物，于是就发展成主要行使消化功能的细胞。其实不要说多细胞生物，许多更简单的单细胞生物聚集在一起时，仅仅由于所处的位置不同，这些生物就可以分化出不同的机能。分化分工产生了，器官的雏形就出现了，器官出现了，机体就可以更专业，更有效的工作，从而向更高等的生命发展。机体对环境的协调适应也无主动被动之分，是个自然过程，是必然趋势。比如有自我意识的人，对外界环境的变化可以说主动适应，而一个简单的单细胞处于一特定的环境能怎么样呢？还是那个处于包裹食物的环囊内腔的单细胞，本来单个细胞功能上是全能的，可以感觉、运动、避害、捕食、消化、繁殖等，但在这稳定的特定环境中，它除了消化还能干什么呢？既不用捕食，又不用避害，于是单一功能大大发展，其它功能退化消失，发展成了专门的消化细胞。机体的每一步进化，马上就会创造出更新的环境，比如消化器官形成后，周边环境很快成了废物和营养物的堆积场所，需要将其运走，于是发展出了专营运输的细胞、组织和器官，循环系统出现了。各组织、器官、系统需要协调，神经系统应运而生。生物就这样在不断调整机体对环境的关系中，对外更适应，内部更协调。分工越细，功能越专业有效，协调越完美，一步步完成了从低等到高等的进化。生物进化是这样，人类社会的发展也很类似，就是因为简单的分工出现，生产可以更专业，更精，更深的发展，生产力的发展进一步促进了分工和专业阶层的出现，从而促进了科技文化的爆炸性发展，使人类社会迅速脱离了原始自然经济，步入了现代社会。人类最初的原始分工是怎么产生的呢？可能就是因为自然环境的不同，相当于外环境，所谓靠山打猎，邻水捕鱼，土质厚，水系好的发展农耕，游牧民族永远产生于草原。有了分工，交换随后就产生了，有了集市，出现了市民阶级。这是社会环境的发展需求造成的，相当于生物体内环境的发展变化，看似不同的人类社会发展和生物进化，实际受共同的法则支配，环境及对环境的协调适应是发展的原动力。
有的读者可能不同意我们论述的分化细胞的形成机制，是细胞对内环境主动适应的结果，认为突变加上环境的适应性选择也可以达到以上的效果。好，我们就分析一下，为什么突变加选择是不可能达到进化效果的。
我们知道有意义的突变只能发生于生物个体发育前的胚前生殖细胞到受精卵这一阶段。一个突变对环境的适应不是一个生命整体对外环境的适应那么简单，而是要适应每一个微小内环境，才可能达到总体适应。生物体每一个局部部位都够构成一个微环境，不好说有多少处，大体可以知道分化细胞的数目。哺乳动物和人差不多，据统计有200种不同的分化细胞，细分可能还更多。一个基因位点的突变对一个分化细胞的效应分最简单的两种可能性，适应和不适应来说，对200种不同分化细胞的适应和不适应可以有2200种不同的组合，全适应的只有其中一种。有人会说全适应太苛刻了，只要有一半的适应，就能适应，可以选留下来，一半适应就是2100中有一次组合合适，仍是天文数字。有人会说适应少数细胞就能适应了，别处不适应也不会造成什么样的灾害吧，这可不对，细胞的基因在不该表达的地方表达了，制造了不需要的蛋白，对特定细胞就是致命的。细胞学研究已经证实，细胞中用过的，暂无用的蛋白没有及时降解，对细胞都是致命的。尽管如此，我们也可以更宽松一些认为突变对80%的分化细胞是中性的，去除160种还余40，40种只要一半适应，就能适应，组合数变成220，其中一种适应，是能选择留下的候选者。可是事情还没完，再回到前面讨论的鲸的肢变鳍的进化，肢变鳍已经相当复杂了，这还不代表鲸的全部进化。鲸的全身呈流线型的鱼形，尾部像鱼尾，后肢退化不见，和陆上奔跑的哺乳动物大相径庭，所以叫鲸鱼。这起码涉及到头，胸，背，腹，腰，尾，肢几十个位点的协同进化，这只是外形的变化。潜水要抗压，涉及到骨，肌肉内部的变化。外部皮肤体毛要褪掉。鲸的皮肤可不是一般的皮肤，它的特殊结构可以有效的消除涡流，提高泳速。鲸的呼吸机能虽还得靠肺，但鼻孔转到背部，在水中还能自动闭合，血红蛋白和肌肉中提高储氧能力，必要时基础代谢要降低，方能潜水1～2个小时。在水中眼睛用处不大，得靠超声波探测，得发展出发声器官，接受器官，大脑中新的信息处理器官。不说了，一个物种的进化可不是单性状的进化，大概得涉及几百个不同基因的协同变化，我们在宽松的一步到位把它称作20个不同基因，有利，不利两种最简单的突变方向，又一个220种组合，其中只有一种是全有利的组合。两个220数字，意义不一样，前一个是一个基因位点突变在20个不同分化细胞适应的组合分配数，后一个是20个不同基因突变有利不利组合的分配数，后者每一个基因的突变都面临着在不同分化细胞中能否适应的问题。适应选择候选者的出现概率变为220×220=240种中只有一个合格。还得把它换算成具体时间，并不是细胞每分裂繁殖一代的突变都有进化意义，鲸这种动物只在每一世代生殖细胞（性细胞）发生的这次突变才有意义。人的世代间隔大约20年，小鼠两个多月。鲸是一种长寿大型动物，世代间隔短不了，我们就宽宏大量的算作一年吧。也就是说假定每个基因一年可以出现一次有利或不利的变异，那么鲸240年才可能出现一次选择能留下的有利突变组合的基因型。240年多长呢，简单换算一下，240=1.1×1012，，109是一亿年1011是100亿年，也就是说240年不仅长于鲸的历史，也大大长于生物史，地球史，宇宙史。换句话说进化不可能发生，你一定会说我算错了，我的回答是我没有算错，也够宽松，据估计DNA的核苷酸量突变率，每一代复制，109个核苷酸对才变一个，这个因素我刚才都没有算在内，错的是突变加选择理论本身。生物进化是实际发生的现象，也只有用进废退，在环境的诱使下，基因向一个方向的协同变化，进化才可能完成。如果突变真是一个随机事件，有利不利的变异只能随机搭配，自然选择真的无法进行。
第四节 生物体机能大分子的进化
支持获得性遗传进化路线
近几十年分子生物学的快速发展，基因组测序工程，蛋白质组学工程的大规模展开使我们得以从分子角度了解生物进化的秘密。虽然在这些领域还有大量的未知，但已弄清的大量事实无不支持生物进化走的是获得性遗传的路线图，尽管这个路线图尚不完整。下面我们从基因进化（结构基因部分），蛋白质进化，基因调控进化三个方面讨论这个问题。
基因进化
首先比较一下原核生物和真核生物基因组构成的不同，可以得到一些进化的启示。原核生物基因基本上是连续的，即不含内含子序列（不表达部分），染色体上重复序列很少。而真核生物的基因是不连续的，内含子和外显子（表达部分）相间排列，称为断裂基因。且基因组有大量由共同祖先基因发展来的重复基因。生物越复杂，每个基因包含的平均内含子数目也越多，重复序列的比例也越高，不编码基因产物的DNA序列越大，比如人的基因编码序列占总序列的此例才1/10多一点。内含子存在的起源现在还有争论，我本人比较倾向于这是一个进化过程留下的标记，否则为什么低等生物少有，越高等生物越多呢，可能标识了新的进化基因是过去小基因组合构成的结果。每个外显子都是一个基本模块，编码蛋白质分子的一个基本单元或一个结构域，过去是独立的，组合在一起形成大基因时，由于统一调控，独立的调控部分不再需要了，逐渐失去功能。还有的可能是历史上有用的基因和基因结构单位，随着进化，不需要了，像前面所说的屏蔽基因。据中性突变说，选择是允许失去功能部位的突变存在的，天长日久，突变使这些部位变得面目全非，很难追溯它当初从哪来，什么的干活了。通过对基因组的分析比对，现在科学家比较一致的看法是：基因进化是通过基因重复加趋异，基因重复加重组而形成新基因来实现的。我很同意这个结论，但不同意对其形成机制的解释，现在流行的解释把这种形成视作随机过程，归于突变的一种形式，一种说法是：由于DNA复制，DNA重组，DNA修复发生错误，造成重复。我认为可能性不大，复制是以一条完整染色体为模板复制，然后有丝分裂是非常精确的分配过程，怎么会平白多出一大段重复序列。如果以染色体为单位多出一条，到有可能，那就是多倍体了，也不是现在这样仅多出一截。DNA确有重组，特别是减数分裂时，重组经常发生，但这时是等量的重新分配，也不是平白多复制一截。二是归于转座子的随机插入。确实，转座子的插入是造成重复的重要原因，据估计哺乳动物中近50%的重复基因和转座子有关。转座子是一种特殊基因，其基因序列含有特殊编码的酶，可以把整个基因以逆转录的方式插入基因组序列中，这是个非常有意思的问题，我们在后面的进化机制中还要进一步讨论，我不同意的只是随机二字，第一，只有本身活跃起来的转座子才可能插入，基因的启动本身就不是一个随机过程，而是个复杂的调控过程。第二，由重组构成的新基因，虽来自不同模块基因的重组，但也是功能接近，能配合一起形成有统一功能的蛋白质的外显子模块。如果不同功能，不能配合的模块随机凑到一起，谁能保证它们能凑成一个有完整功能的新基因。人们的惯性思维，一碰到暂时弄不清成因的变化，都冠以突变。省事是省了，可往往经不住进一步推敲。
让我们回到前面推演过的获得性遗传的进化路线，生物体为应对新的环境变化，只能再次起用老的基因，把它们重新调配，从不同的搭配中获得新的功能。这条路线似乎很自然的导向重复加趋异，重复加重组的基因进化路线，显然两者是可以接轨的。凡重复使用频率高的基因，就越容易出现重复序列，比如RNA和tRNA，从事繁重的翻译加工蛋白质的工作，编码这两种RNA的DNA序列就有很多重复。编码主要mRNA的DNA序列也一样。机理可能是越活跃转录的基因越可能得到复制（机理后面讨论）。重复的基因发生趋异也不难理解，因为最初是借用功能相近的基因应对新环境变化，不能完全适应，在进化中对编码适当修改也是合理的。这些重复基因和祖先以及趋异的亲缘基因间在使用功能上有一定差异，一般它们在不同的组织和不同的发育阶段表达，执行任务也有差异，可见当初并不是简单的随机复制，是由于不同的需要才发生的复制。由转座子插入组合在一起进化成功能健全的新基因也容易理解了，因为当初生物调动到一起共同执行某一新任务的若干基因，一定是功能相近，能配合作用的基因，在它们共同执行一件任务时，同时活化了各自的转座机制结合到一起，形成有功能的基因是很自然的。有些生物，特别是一些低等真核生物，编码一个酶的基因并不在一个位点连锁着启动，甚至是散布在不同的染色体上，但它们却能同时启动，编码一个蛋白质，这是不是进化的一个中向过程呢，还处于调控搭配阶段。
总之，比对获得性遗传的进化和DNA的进化，二者应该是吻合的。只是没想到基因的进化走的更远，当初以为把不同的基因组合调控搭配在一起就够用了，现在才知基因进化把这些组合搭配固定下来，形成新的基因，功能发挥上当然更便捷了。
蛋白质进化
科学家最初在研究蛋白质结构时，按照突变论的观念推理，进化是孤立的突变事件，蛋白质在结构和功能上的进化应该是独立发展，彼此没什么关系的，可研究结果让人大吃一惊。我们有前面的讨论做铺垫自然会想到不同蛋白质在结构上应该彼此是有关联的，事实的确如此。大部分蛋白质是由一系列基本蛋白质结构域组成，这些多结构域蛋白质被认为是由编码每个结构域的小基因组合在一起形成的新基因所决定。一种结构域可以在多个蛋白质中出现，几种不同结构域的不同组合可以形成多种不同的酶，叫做结构域洗牌。
人们原来以为许多形态不同的细胞及其特异结构，构成其形态的骨架蛋白应该没有什么共同点，可是研究了许多细胞的特异结构却发现彼此有很亲密的亲缘关系。例如感觉器官的触毛，马蹄蟹精子的顶体，小肠上皮的微绒毛，迁移细胞的丝足，这些看上去不相干的结构都是采用相同的线型多聚肌动蛋白构成。还有决定细胞有丝分裂的纺锤体，神经递质小泡的传输，真核细胞的纤毛，鞭毛，神经细胞突出构造，视听感觉细胞的特化结构，细胞分化决定子的定位等不同形态和功能都与细胞微管和其动力学特性有关。这样的例子举不胜举。
基因中内含子的存在，使外显子成为了独立的模块，方便了不同的组合，例如大鼠α-厚肌球蛋白基因转录的RNA，通过选择性剪接可以形成编码横纹肌，平滑肌，成纤维细胞等五种蛋白质的不同mRNA。更有甚者，不同基因上的外显子也可以组合到一起编码一个蛋白。
不厌其烦的举这些例子无非就是想说明蛋白质的进化不是通过孤立的，彼此无关联的突变形成的。多数是通过先前基因的重复和重组，和DNA的进化遥相呼应，符合获得性遗传推演的进化模式。
基因调控的进化
在第一节推演获得性遗传进化模式时，就感到由于要调配不同基因的表达，基因调控方面的进化将是生物进化的主要方面。实际了解了高等生物基因调控的复杂和精巧后还是让我们惊叹不已。
原核生物的DNA序列大部分都是编码的外显子，调控部分很小，往往一两个因子就可以启动，而且一个启动子就可以启动一串不同的基因，称为操纵子。而真核生物的调控就复杂的多了，没有了操纵子，每一个基因都有单独的调控部分，常常占据很长一段DNA序列，长达5万个以上的核苷酸对的并不少见，称为基因调控区。比如人的DNA序列中，编码的只占1.5%左右，大约3万个人类基因中还有约5-10%编码的是基因调节蛋白，可产生几千个调节蛋白。有的基因的调控区可结合几十个调节蛋白，有激活的，加强的，有阻遏的等等。复杂的调控可以应对复杂的内外环境变化，像其它的蛋白质一样，有时多个调节蛋白像亚基一样组合在一起形成一个蛋白复合体才有活性，这些亚基可以结合在不同的基因调控区，不同的亚基可以在不同的发育阶段产生。有时多个蛋白作用于一个基因的调控，可以使某一个基因在适合的时机、适合的位点，做出正确的反映。有时一个调节蛋白可以作用于多个基因，使其协同作用。就像密码子锁的数字一样，都搭配齐了才启动，由此做到精准、协调。调控蛋白的产生本身又受其它因子的调控。有时一个基因的启动可以引发一连串的基因相继启动，形成级联调控。这些调控可以使生物体像一个精密的机器一样，局部与局部，局部与整体之间用一张网络联系起来，牵一发而动全身，协调配合，应对内外环境和自身发育的需要。我们这里不想过多的讨论调控机制本身，只是想对调控的进化发展有所启迪。显然，认为仅靠孤立的突变就可以形成如此复杂精巧的网络联系是不可想象的。
获得性遗传讲的进化不是孤立的事件，离不开环境的影响。我们引入内环境的概念后，可以看出生物体内器官与器官之间、细胞与细胞之间、细胞器之间、DNA与蛋白质之间本来就是互为环境，互相影响的。进化本身就脱不开各因素的相互作用，内外环境的相互作用，建立起复杂的调控联系是理所当然的结果。
这样复杂的基因调控具体怎样建立起来的，现代科学还没有给出答案，但也可能不像想象的那么复杂，基因在组合形成新的基因时，很可能把原来调控的基础也带过去了，只要把新的调控因子不断地加进去就行了。基因调控区、调控蛋白都是由小的亚基成分组合构成的，明显组装起来的，不是突变来的。
第五节 获得性遗传形成的分子机制
一、中心法则逆向途径存在与否是问题的关键
突变加选择的进化学说主要理论根据是分子中心法则，即只发现了生物信息是从DNA→RNA→蛋白质的方向流动，而没有相反的方向。因此生物进化之源只能是DNA，依赖于它的突变。如果获得性遗传存在，那么信息流向应该也存在逆流向，即蛋白质→RNA→DNA。现在直接的证据确实很不完全，尽管中心法则早已有了很大松动，但多数学者似乎仍然认为逆向途径只不过是局部的特例，这也是突变加选择论现仍占据主导的原因。下面我们从四方面（二～五）讨论逆流向存在的合理性及存在的直接、间接证据。
二、逆向中心法则可能存在吗？
我们都知道DNA决定了蛋白质的结构，那么蛋白质可能反过来影响DNA的结构吗？我们前面讨论了获得性遗传的合理性，其关键就在于其理论强调了内外环境对生物进化的直接影响。内外环境是通过蛋白质起作用的，这里也就暗示了蛋白质对遗传物质发生了影响。讲进化是把生物作为主体，强调了环境的单方面影响，只说了问题的一面，另一面生物体对环境，对其它生物的进化同样影响巨大。一特定生物本身也是环境的一份子，环境的概念本来就是相对的。其实世间万物从来都是相互联系、相互依存、相互影响、相互作用。作用影响力不可能是单方面的，必是相互的。有作用力就有反作用力，磁能生电，电也能生磁。上层建筑为经济基础服务，经济基础是上层建筑产生的决定因子。存在决定意识，意识巩固存在。DNA决定蛋白质成分，难道蛋白质就不能……？相互作用是宇宙间物质运动的普遍规律，为了对这点有个更加清醒的认识，我们多费点话描述一下生物和环境相互影响，循环互作得以发展的自然史。
地球形成之初，是没有生物的。利用海底火山和温泉作为能量来源，利用非生物形成的简单有机分子，所谓的原始肉汤作原料，一些分子聚合起来，形成地球最初的生物，古病毒和古细菌。古细菌的发展很快把食物——原始肉汤消耗殆尽，这是生物对环境的第一次改变。没了食物，生物被迫转变生存策略，发展出了利用阳光作为能量来源，水和CO2作为原料合成自身物质，第一批光合异养生物——古蓝藻细菌出现了。光合细菌的出现，开始改变了地球的大气成分。那时的地球大气不像现在，是没有氧气的，氧都以结合状态存在，那时如果有像人一样的外星人来到地球，马上就会憋死。光合生物还原了氧，氧气出现了，并且越来越多，这是地球环境的第二次大改变，地球上的生物又得改变生存策略。最初地球上的原核生物都是厌氧的，转化能量是靠无氧发酵的方式。氧气出现，利用氧进行呼吸的真核生物进化出来了，因为氧化获得的能量要高得多，真核生物很快繁荣起来了。老的厌氧原核生物在氧环境中大量死亡，腾出了生存空间，幸存者也被迫改变了生存策略，少部分进化出了有氧生存的能力，大多数成了兼性厌氧菌，开发出了SOD酶，对抗氧化的破坏。SOD并不是双歧杆菌的专利，而是多数兼性菌的生存策略。从真核生物进化出了植物，自养生物的繁荣积累了大量营养物质，又使异养生物——动物进化出现了。植物虽然又造氧又耗氧，但制造的速度远高于消耗，加之动物刚出现不兴旺，生物又开始改变大气环境。20亿年前大气90%是CO2,直至6亿年前CO2仍占90%，大约在5亿年前，植物仅用一亿年就消耗了大气中90%的CO2,反温室效应出现了，冰河期来临。这次冰河期的成因可能有太阳系气象的原因，但是和CO2的消减期是吻合的。生物又一轮的大灭绝，特别是植物大批死亡，封盖在冰雪下，成了今天的化石燃料。植物的发展相对受阻（但这时许多适应性强的高等植物诞生出来了），动物的发展相对较快，呼吸作用和其它地质原因，大气中CO2不断增加，气温开始回升，生物世界重又繁荣，直到人类的出现。众所周知，人类的活动使地球气象向温室方向发展，又一场危机快来了，可能已经开始了。不厌其烦的说了这么多，只是想让我们对事物间互相作用规律的普遍性多点哲学的思考。DNA和蛋白质的关系也不例外，如果蛋白质不能影响DNA的构成倒是件奇怪的事了。当然哲学的思考虽然有助于我们把握事物的大方向，却不能代替科学的实证，科学的事还得科学来解决。
三、生物信息的真正发生处在DNA还是蛋白质
在确定生物信息传递方向以前，重要的是先确定信息形成在什么地方，确定了发生处，传递方向自然就确定了。许多人会不加思索的回答这个问题，储存遗传信息的地方当然是DNA了，这是常识。这里还是思考一下为好。储存遗传和发生生命信息并不是一个东西，遗传是信息某一方向的传递，我问的是生命信息的发生和起源。生命之所以成为生命，是因为生物体能进行特殊的生命活动，物质代谢、能量转换、物质合成、摄取、消化、感觉、运动、复制等，是因为生物体各处都能进行独特的复杂的生化反应。生命活动的信息产生在结构和功能进行的地方是合乎情理的，认为信息产生在细胞核中的DNA，甚至只能在远离功能区的遗传细胞（性细胞）核中的DNA中，是多么不可想象，可是突变说就是这么认为的。结构和功能按哲学的话说就是物质的存在和物质的运动，这两点决定了事物的根本属性，这就是生物信息。生物体不同部位结构的构成，不同功能的执行都是各异的蛋白质完成的，生物信息就发生在这里。生物的本质特征是能复制自己，生物要能再现自己，第一步要做的是把进化中获得的信息记录储存下来，这就是蛋白质→DNA的信息流动，第二步才可能有通过储存的信息复制本身，即中心法则。脱离了功能单位能产生功能信息的说法，不知你信不信。反正我不信。打个比方，书本能记录知识，供我们学习，我们可以根据书本上的图纸造机器，盖高楼，但知识能产生于书本吗？显然不能，知识只能产生于实践。
人们在了解了生物的遗传结构后，惊异的发现，动植物两种不同界的生物，差异如此之大，遗传结构竟然都是由同样的四种碱基编码的DNA构成的。如果生命信息源自DNA，同样的DNA突变应遵循一致的规律，说不定就会出现带叶绿素的动物，会行走的植物，这样的生物不是有更强的选择优势吗，可惜不会出现。决定性的因素产生于生物的功能部分，功能蛋白体和环境中的阳光，CO2和水互作发展出植物独特的代谢生存类型。DNA并不能决定这一切，它只是忠实的记录下了这一切。
现在我们知道蛋白质的结构高度复杂精密，执行各种生化任务时，它的空间构型差一点都不可能具有功能。如果不接受功能单位的信息，仅靠突变，DNA就能形成编码复杂功能蛋白质的正确核苷酸序列，简直是不可想象的。实际上对DNA的测序研究已经证实，突变不可能带来正确的编码信息，DNA上凡是无功能的区域都是突变率最高的地方，相反有功能的区域，越是重要的功能区域，越保守，突变率越低。可见DNA上储存的功能信息并不源于自身的突变，一定是另有其它来源了。
基因组学和蛋白质组学的研究告诉我们DNA并不能完全决定蛋白质的结构，DNA只决定蛋白质的一级结构，即氨基酸的排序，蛋白质可以自主的折叠成二级、三级结构，这时蛋白质才具有功能，这些信息似乎储存在蛋白质自身和氨基酸中。前面讲过，有时编码一个蛋白质的基因不在一个染色体上的邻接位置，甚至分散在不同的染色体上，有时不同基因的外显子可以通过剪接形成一个mRNA，这些信息好像是独立于DNA之外的。研究发现蛋白质确实可以对翻译后的内容进行有选择行的修改和自组织，甚至来自不同基因的结构域也可以根据任务需要有选择的组合在一起，形成一个超级蛋白功能复合体。这是否暗示我们蛋白质在信息的决定和把握上起到领先和主导的角色作用呢。
如果信息确实产生于蛋白质，如果没有信息从蛋白质向DNA的流向，生命过程也就终止了。其实我们在前面讨论获得性状过程中这个流向是明显可见的。生物在适应环境的反应中，首先接触环境信息的肯定不是细胞核中的DNA，而是感觉细胞中的功能结构部分，通常是蛋白质。对外界信息归纳综合后发出信号，通常也是蛋白质。指导相应器官细胞中的DNA转录做出相应反应。其信息流向为蛋白质→DNA→蛋白质。我们上面讨论的信息的产生和储存不要理解成截然可分、经纬分明的过程。实际可能是蛋白质在获得每一步的进化都要及时复制在DNA上，否则下一步进化就不知从何处开始了。信息流动是及时的循环往复，推动了生物的进化。
四、生物进化史揭示了DNA本身就是进化的产物而非进化之源
针对DNA突变是进化之源的理论，如果再追问一句，这些基础DNA是怎么来的呢，也是突变来的吗，无法回答了。为了弄清楚事情的本源，我们简单的回顾一下生物最初的发生进化史，往往可以使事物本来面貌简单化，追本溯源，有助于弄清RNA、蛋白质、DNA之间的关系。
生命的本质是什么，这个问题很复杂，但起码包括这样几个特征，能进行一定的生理活动，具备一定的代谢类型，和外界进行物质交换，能转换外界能量进行自组织、能复制自身。从这些角度考虑，DNA能独自组成最简单的生物体吗？DNA能复制，但不能独自完成任何一项简单的生理活动，显然不能独自形成最初的简单的生命。RNA呢，RNA能复制，也能进行一些简单的生理生化活动，比如起到催化的核酶系统，应该是能组成最初简单生命的候选者之一。蛋白质呢，几乎完成了一切生理活动和机体的结构组成，能不能复制呢，有争论，但起码造成疯牛病和人克雅代病的元凶是蛋白质病毒，尽管机理尚不清楚，但都不能否认有一定的复制功能，因此形成最初简单生命的机会比较大。
谁有机会成为最初的生命，还有一个分子基础问题。最初的生物是从原始地球无生命的无机物质组织进化而来，这一点没有争论。尽管现在DNA、RNA、蛋白质都是在生物体中进化形成的，但它们最原始的简单构成有没有可能直接从无机世界而来却是问题的关键。科学研究已经证实，组成蛋白质的氨基酸，组成RNA的戊糖，磷酸，碱基成分嘌呤和嘧啶都可以在实验室条件下对一些含有C、H、N、P、O、S的简单无机小分子进行单纯的放电处理就可以获得。它们就是地球上原始肉汤的组成成分，唯独组成DNA的脱氧核糖都不能在自然条件下产生，只能在生物体内酶的作用下对核糖脱氧获得。DNA只存在生物体内，可是在无机条件下都可以形成最简单的RNA和蛋白质，开创生物进化的先河。
和以上的分析一致，人们发现的最简单的生物就是由RNA和蛋白质组成的病毒，推测它们的祖先应是最初的生物。其实还有更简单的类病毒，只含RNA不含蛋白质，也能复制自己。一些学者认为RNA是最古老的生物，可能还有一个前RNA世界。可是不知道朊病毒算不算生物，如果算就不知谁更古老了。不管怎么说，RNA和蛋白质很快组合在一起，构成了早期的生命。那时DNA还没出现呢，这都是不争的事实。尽管最初的RNA和蛋白质分别各自具有复
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