攻占欧洲的小龙虾基因相同却都长得不一样,或将颠覆遗传多样性?

一支基因相同的小龙虾克隆大军攻占了欧洲、非洲、日本,大量遗传学家眼珠子都快瞪出来了。孟德尔的棺材板估计快盖不住不了,谁说的生物多样性主要取决于基因?

攻占欧洲的小龙虾基因相同却都长得不一样,或将颠覆遗传多样性?

在1995年左右的某个时候,一种基因突变使一只宠物小龙虾(大理石纹小龙虾)能够无性繁殖,从而产生了一种新的、全雌性的物种,这种物种可以从未受精的卵中克隆出自己的后代,然而这只是小龙虾惊艳全球的开胃菜而已。

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现存的所有大理石纹小龙虾(下面简称小龙虾)都来自于那个变异的祖先。它们在基因上都是相同的,缺乏基因多样性,正常情况下这会使一个种群极易受到环境变化无常的影响,从而只能生活在条件恒定的水域中,然而,大理石小龙虾却在全球范围内茁壮成长。

遗传之外的多样性

  • 并非外因

基因是生物的蓝图、说明书,指导着生物内部生长的一切,按理说无性繁殖的小龙虾由于基因相同,那么它们的内在与外在最多只会由于外部因素出现微小的差别,然而现实中的小龙虾却完全颠覆了这个认知。

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(基因“说明书”)

如果要从这支小龙虾大军全身上下找出一个共同点,那只有“基因”。它们各自分布于不同的温度,盐度和酸度的淡水中,姑且勉强归咎于这个物种基因表达出的适应能力强。神奇的是在颜色、大小、行为和寿命上也有相当大的差异,这就有点说不过去了,然而这还不是最神奇的。

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在遗传学中基因相同表现出来的性状不一定完全相同。例如:受到外部因素的影响,同卵双生的两个人,一个从事室外工作,一个是室内,导致两个人的肤色是不一样的。

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但这样的结论并不能把小龙虾包括在内,理由有三:

  • 外部因素的影响差别是微小的,并且要有针对性因素,而这帮小龙虾就像拿着基因说明书开卷考试,答案却五花八门,打眼一看,像是ABCD一顿乱蒙,这样的情况外部因素就解释不了了。
  • 生物学家发现小龙虾从胚胎发育的头几天开始,基因表达就出现随机的、轻微的扰动。说明这种基因之外的偏差并非外部因素,而是从娘胎里带的,却不是天生的。
  • 科学家在实验室里养大的大理石小龙虾,它们的兄弟姐妹们的环境是相同的,然而它们同样会有不同的颜色、形状或行为,差异非常显著,足以让他们建立起一个“不同兵种的军队”。

这意味着,生物学家似乎忽视了什么,除了基因之外,还有其他内在因素在激发着这种多样性,这种多样性造就了本应相同的小龙虾的与众不同。

这样的情况只发生在小龙虾身上吗?

实际上同样的情况在细菌、无性繁殖的鱼、近亲繁殖的苍蝇和老鼠等生物身上也出现过。一些病原体或癌细胞产生耐药性,而它们的基因相同的兄弟细胞则死亡。拥有相同基因和家庭的同卵双胞胎在外貌和行为上都不完全相同,甚至有不同的指纹。

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巴黎大脑研究所曾在《自然》发表过的一项研究指出:即使在一个个体有机体中,左右脸、身体和大脑之间也会出现不对称。研究越来越清楚地表明,这些差异不可能全部被当作无法解释的环境影响而一笔勾销。

基因不是蓝图,只是设计了游戏规则

同样的规则不同个体执行,产生了不同的游戏结果。在量子力学中存在不确定,粒子的状态存在一定的随机性。生物和基因也是由基本粒子构成,并且生物是一种高度有序复杂的物质,基因无法详尽地、单枪匹马地控制生物的一切。

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(基本粒子构成原子)

基因组不是蓝图,它没有编码一些特定的结果,只编码一些生化规则,一些细胞算法,通过这些算法,发育中的胚胎将自我组织起来。而分子在细胞中反弹和相互作用,随机地结合、分开和扩散。制造蛋白质、打开和关闭基因的过程都会受到分子随机运动的影响。生物学家把它们称为“系统中的分子振动”。

这导致了蛋白质分子的数量、组装和折叠方式以及它们如何履行功能和帮助细胞做出决定等方面的某种程度的随机性。相同基因片段两次复制的结果存在的差异,就像一个舞者,每一次表演都不可能完全一样。

攻占欧洲的小龙虾基因相同却都长得不一样,或将颠覆遗传多样性?

(蛋白质合成)

因此,将单个细胞转化为整个有机体的复杂过程再扩展到个体发育过程,“有点混乱、有点随机”是完全可以解释得通的。

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(高度复杂的生物结构)

难以研究

科学家可以编写基因、可以整改环境,然而随机的差异是我们控制不了的,即使可以控制微观世界的尺度,也没办法对生物内在的每一个化学反应,每一个蛋白质合成、细胞复制,甚至每一个微观粒子的运动进行监控。

攻占欧洲的小龙虾基因相同却都长得不一样,或将颠覆遗传多样性?

归根结底,生物构成太复杂,决定随机的因素太多,所以我们无法通过基因对高度复杂的生物做出非常精准的准确的预测。

1《The transcriptional legacy of developmental stochasticity》(biorxiv)

2.《Wiring the Brain 》——KEVIN MITCHELL

3.《Single Cells, Multiple Fates, and Biological Nondeterminism》——Arjun Raj

4.《In-depth investigation of the species problem and taxonomic status of marbled crayfish, the first asexual decapod crustacean》(biorxiv)


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