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窃取基因的小偷

细菌能时常移动基因并彼此交换,在环境改变时,留下有用的、淘汰没用的基因,所以它们是世上适应力最高的生物之一。虽然在一些亲源相近却不同寄主的菌种中,常拥有功能相同但序列迥异的基因,表示这些基因应该是来自于各自的寄主,不过对于基因是否能在不同生物界(kingdoms)之间的移转,一直无法得到明确的证据。德国海德堡欧洲分子生物学实验室的计算生物学家和疟疾研究人员组成的研究小组,最近在发表于Genome Biology的文章中表示,一个专门在动物体内产生alpha 2-巨球蛋白(α2-macroglobulin, α2M)的基因,也在某些细菌中发现。

α2M是一种蛋白分解蛋白酶的抑制物,当遭受外来细菌入侵,α2M便会把细菌的蛋白酶抓起来,让细菌无法再更深入体内扩散。这对动物来说是种十分便利的防御机制,所以从大螃蟹到人,几乎所有动物都保留了这个基因。不过一般认为除了动物,其它生物界都没有此基因。所以,当研究小组在超过三十种细菌的体内发现这个基因时,着实吓了一跳。深入研究发现,这些细菌虽然具有共同的特征--绝大多数是在动物体内寄生并造成疾病,但在演化树上的关系却是平行的。经过胺基酸序列比对发现,后生动物(metazoan)的α2M蛋白质与细菌该蛋白质是同源的(homologous);而拥有α2M的数十种细菌,本身在系统发生学中呈现零散的分布,并不符合垂直演化的模型。

因为在其它生物界都缺少α2M这个基因,研究人员认为对此现象最有可能的解释是:早期的细菌祖先从原始动物寄主如后生动物身上「偷」到α2M基因而后,再借着基因重组或交换,将此基因与其它细菌共享。虽然研究人员尚无法排除其它的可能性,譬如此基因可能只是在植物、真菌等生物界演化过程被弄丢罢了。不过就机率来说,在这「偷窃模式」中一次单纯的基因转换,总是比要在不同物种中不断丧失同个基因容易得多。

α2M到了细菌体内后,真正的作用为何?根据在大肠杆菌(Escherichia coli)的研究大略得知,细菌型α2M可能具有阻碍寄主反微生物防御机制的功能,可帮助细菌在寄主体内扩散,修补被寄主破坏的细胞壁,但与毒性强弱没有关系。不过它真正的功能还需要更深入探讨。而因细菌型α2M是一种细菌膜间质蛋白质(periplasmic proteins),容易受抗体影响,这项特性也将替未来疫苗研究提供新的方向。

寒武纪生物大爆炸

我们需要一个非常长久的能源, 因为地球上的生命存在了将近40亿年,而太阳一定要比这个时间更长地存在,至少在没有找到另一个宇宙生命模式之前,我们无法证明这个进化的时间能够缩短。不过,人们却发现,整个的进化史似乎被耽误了很多的时间,真正的大型生命的进化历程实际上只有5亿年左右,而大部分生命史都是在海洋中以微牛物的形态消磨时光。这时间居然有30多亿年。人们发现生命的大型化和多元化全部集中在5亿4千万年前的寒武纪的地层里,而且它们似乎是突然的出现,非常整齐地站在了同一条进化的起跑线上,这就是寒武纪生物大爆炸。

寒武纪是一个伟大的时代,而中国云南澄江地区的帽天山更是这个时代的圣地,因为在这里发现了世界上最古老的寒武纪多细胞动物的化石。

大爆炸是生物学家们感到困惑的地方,因为动物的大型化和多元化来得十分突然,而进化的复杂性似乎被寒武纪蕴藏的神奇力量给简化了。究竟是什么力量突然把微生物变成了大型的多细胞的动物呢?

在古老的年代,土壤中的含氧量很少,而寒武纪地层中的含氧量,随着年代的走近而丰度增高。也许,正是这种气体引发了地球生命的辉煌。

现在,地球的大气中充满氧气,但是它们在天地之间一刻不停地循环,氧气是最活跃的气体,它总是很快地和其它物质氧化,因此氧气只能是保持流水作业。如果地球上的植物现在停止制造氧气,那么地球上的氧气很快就会枯竭;正因为氧气的这种活性,它才能贯穿在大型生命的体内,从而产生剧烈的体能和高级神经的活动。

不过,陆生植物制造氧气的历史非常短,只有几亿年,它们对地球氧气的贡献是锦上添花,而真正从零起步制造氧气的,是寄居于海洋中的藻类,它们通过一种叫做叶绿素的细胞间复杂的分子的运动,逐渐地把海洋中的二氧化碳转换成了氧气,地球上的氧气全部都是从绿色毛孔中分泌出来的。这种分泌持续了几十亿年,才让地球充满了自由氧。这个过程如此漫长,是因为地球上存在着巨大氧消耗,大量的无机物都在被氧化,至今海洋中还蕴藏着大量的氧化铁矿脉。相信有一个时期,地球上的海洋都被铁锈染成了红色,那是铁元素在呼吸。

很可能,寒武纪是一个收获氧气的时代,因为这个时候的氧气一定是生产大于消耗。当海洋充满氧气并持续稳定到一定的时间,使用氧气的大型动物才能没有后顾之忧地改变自己的形态,去充分地利用更好的能源。这种能源使得一部分动物身体结构扩大并且功能增多,就好像有了汽油才有汽车一样,可以说,有氧才有生命的运动。

运动是寒武纪生命的重要进步,就像新司机刚刚上路,寒武纪的祖先们动作都很慢,它们小心翼翼,笨拙但绝对拥有了前所未有的自由。

大爆炸到现在大约5亿年,在这之后生命进化的效率应该是很高的,因此一个星球的生命能否缩短它进化的历程,关键是看多细包生命诞生的时间表。当然,寒武纪的地层还隐藏着许多的秘密需要去思考,但首先我们应该感谢它,因为如果某种现在还不知道的因素再推迟生物大爆炸的启动,那么,我们的命运也许是另一个样子。

发现吞噬细胞的欢乐与苦闷

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在人类生活的漫长岁月中,七千多种疾病不断地袭扰着人们。为了保护人类的身体健康,众多的医学家前赴后继,不屈不挠,同各种疾病进行了艰苦卓绝的斗争。

要战胜疾病,首先要搞清人体生病的原因。这个问题曾经长期困惑着人们,各种各样的猜测在民间流传。后来,医学的发展逐渐找到了科学的答案。法国化学家路易斯.巴斯德(L.Pasteur,1822-1895)从葡萄酒变酸、蚕病、鸡霍乱和炭疽病的研究中发现某些微生物可能是引起传染病的根源。这个设想后来被德国乡村医生罗伯特.科赫(R.Koch,1843-1910)所证实。为此,巴斯德、科赫都获得了应有的荣誉。

但是也有些人对微生物的致病作用持怀疑态度。德国74岁高龄的卫生学家培顿科斐(M.J.Pettenkofer,1818-1901)为了证明微生物不足以使人致病,用自己的身体做了一项实验:1892年10月7日,培顿科斐当着提心吊胆的学生和证人的面,将一试管每毫升至少有10亿霍乱弧菌的培养液一口吞下,还特意喝了一些碱性苏打水,免得胃酸杀死霍乱弧菌。然后,他大声喊道:“现在我们来看,我是否染上霍乱!”说来也怪,这位74岁的老人竟安然无恙。人们惊讶地看到,他除了一点不治自愈的轻微腹泻之外,什么病也没有。于是,培顿科斐得出结论:“霍乱与细菌无关!”

今天看来,虽然培顿科斐的结论的失偏颇,但这个实验也提出一个令人深思的问题:为什么同样受到致病微生物的侵袭,结果有人生病,甚至死亡,有人却健康如常呢?这个问题涉及到人体的免疫之谜。为了揭示这个谜底,一位俄国科学家付出了毕生的精力。他做出开创性的发现之后,在尽情地享受科学探索带来的无穷乐趣的同时,也曾遭到世人的冷漠与嘲笑,受到权威的压抑和非难。这位科学家就俄国人伊利亚.梅契尼柯夫(И.MeчeHиKOB,1845-1916)。

梅契尼柯夫诞生在俄国南部一座城市的犹太家庭里,曾在哈尔科夫大学攻读生物学,因学习成绩优异,曾获金质奖章。后来到德国维尔茨堡大学就读,因他的犹太民族出身而遭到歧视。梅契尼柯夫对此愤愤不平,忧心如焚,甚至想自杀。但是,一本刚刚出版的书给了他新的活力,这本书就是达尔文(C.R.Dar-win,1809-1882)的《物种起源》。这本书阐述的新颖观点强烈地吸引了年轻的梅契尼柯夫,使他对进化论产生了坚定的信仰。从此,梅契尼柯夫断然摆脱犹太民族出身的精神包袱,埋头研究进化论,立志用实验证明“适者生存”的理论。梅契尼柯夫踌躇满志,决心干一番事业。他说:“我有热诚有才能,我天资不凡  

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