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病毒是寒武纪物种大爆发的重要参与者

已有 7397 次阅读 2009-7-9 11:27 |个人分类:未分类|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 病毒, 寒武纪, 物种大爆发

病毒是寒武纪物种大爆发的重要参与者

   

           发现寒武纪物种爆发的证据

198471注定是一个要载入生物史册的日子,云南“澄江动物群”化石的发现为寒武纪物种大爆发提供了重要证据,使学术界在物种进化到底是连续性还是跳跃式发展的问题上继续争论不休。

这天,中国科学院南京古生物所的侯先光在云南澄江县的帽天山,发现一块形状奇特又保存完整的化石,他判断是一块寒武纪早期的无脊椎动物化石。而这仅仅是一个欣喜的开端,当天他又发现了三块后来经鉴定分别是纳罗虫、腮虾虫和尖峰虫的化石,从此侯先光打开了一扇古生物宝藏的大门,在接下来的数天里,又陆续发现了节肢动物、水母、蠕虫等许多同时期的古生物化石。后来,他与导师张文堂教授,撰写了《纳罗虫在亚洲大陆的发现》一文并在国际上引起轰动。

这批后来被命名为“澄江动物群”的化石经技术处理复原后,为人们揭开了生活在5.3亿年前海底世界里各种古生物的神秘面纱。这些生物种类之丰富、保存之完整前所未见,澄江的动物化石因此闻名世界。“澄江动物群”是迄今世界发现的最古老、保存最完好的多门类动物群。几乎现生动物的所有门类,都能在澄江化石群里找到它们的远祖代表。有学者用神迹来描述寒武纪的物种大爆发,因为这么多门类、多形态的生命在同一时期产生,并且已具备生命物种最初的复杂性,使一些人有理由据此提出是上帝选择了寒武纪作为创造生命的时期,进而对达尔文的渐进连续的生物进化论提出诘难。

             达尔文进化论受到挑战

物种间在寒武纪发生了突变,这是科学家对澄江动物群”研究后得出的一个重要结论,这个发现使他们雀跃不已。各类动物似乎在寒武纪时期一夜之间从天而降,并非经过长时间的演化而来地球生命出现已38亿年了,但在距今5.4亿年的寒武纪之前,生命只是以藻类和菌类或个别简单的多细胞物种形式存在于海洋里,这点在1909加拿大发现的埃迪卡拉化石那得到证实。寒武纪之后,大量后生动物突然在海洋里出现,从单细胞藻类、菌类到多细胞后生动物,它们以极快的演化速度使千万年的时间里突然出现了大量不同门类的动物。地球上现存的物种几乎都是它们的后代。如果按照达尔文的设想,物种的变化是各种微小变化的累积、进化应该是连续不断的话,显然无法解释寒武纪物种变化的现象当科学家从化石中发现在寒武纪突然出现了三叶虫时,这就动摇了进化论的基础。

曾全力支持达尔文进化论的赫胥黎,私下多次劝告达尔文接受跳跃式的进化观点,并警告说,“你这样毫无保留地接受自然界绝无跃进的观点,使你陷入不必要的困难之中。”而达尔文深知,他的学说最具吸引力、最独到的地方乃是摒弃一切超然主义,用纯自然的观点解释生物的起源。他惟有用渐进、微小的变化来解释复杂的大变化,才能持守他这种彻底的唯物主义立场。他明确地说:“如果有人能证明,任何现有的复杂器官,不是从无数连续的、微小的突变而来,我的学说就得完全瓦解了。”他在给他的朋友、著名地质学家赖尔的信中,对跳跃式进化的观点提出严厉的批评,“如果我的自然选择理论必须借重这种突然进化的过程才能说得通,我将弃之为粪土。… 如果在任何一个步骤中,需要加上神奇的进步,那自然选择理论就不值分文了。

如果进化真是跳跃式发展,一方面自然选择的渐变理论将被推倒,另一方面又无人能对跳跃式发展的原因找出令人满意的答案。詹腓力在《审判达尔文》一书中指出,“细察之下,大突变进化的最大问题在于,… …你可将圣经中记载的人在尘土中被造也看成是大突变。连续、渐进的自然选择理论既站立不住,跳跃的大突变主义又缺乏立论依据。进化论陷入空前的危机中。”詹腓力甚至提出对生命的起源重新构架,这种对达尔文学说的否定是人们难以接受的,科学家们期待与探索新的证据与理论,以在自然科学中彻底排除神的阴影。

随着时间的推移和研究的深入,后来的科学家们对达尔文的渐变论做了修正,“达尔文在他的时代由于研究条件的限制,对生物演化的历史了解并不是很全面,他认为进化应该是慢速进化。进入20世纪以来,大量的科学证据表明,进化应该是个快速的过程,澄江动物群就很典型。”但为什么在寒武纪的千万年中物种快速发展,而寒武纪之前的几十亿年中生命长期停滞在藻类、菌类或简单多细胞的形式,其间找不到任何过渡物种的化石?为什么寒武纪之后的几亿年中各种物种各自向高等类别缓慢进化,再也没有出现一次物种的快速发展,以至出现一个全新类型的物种呢?我们有理由相信,寒武纪前地球上必定发生了什么。

生态学界对此给出的一种解释是:在寒武纪之初,即多细胞动物刚刚出现之时,可以为动物占据的生态位都是空的,任何一种生命类型都可能找到一个适合的生存空间,因此发生了一次蔚为壮观的辐射进化,此后,由于所有的生态位都被占领,即使发生了大规模的物种绝灭,绝灭物种留下的空位也会迅速地被留存下来的物种占领,因而不存在产生动物全新类型的机遇。但此假设的硬伤是,无法解释寒武纪前生命在原始状态长达几十亿年缓慢进化过程!

                 20世纪科学的新转机

二十世纪后半叶,随着现代科学的迅猛发展,分子生物学与分子病毒学日渐成熟,学者对生命本质了解也越来越清晰,特别是基因学说与基因工程技术的日渐成熟,使得这个难题有可能得到合理解释。

生物遗传的核心物质是基因,物种的本质是基因的种类或差异,生命的进化从根本上理解是基因组的进化;生物基因组的发展记录了生命每一步进化的痕迹,生物越复杂,它所需要的最小基因组也就越大,从支原体到高等植物和高等动物,基因从数量上和种类上随着物种的进化发生了巨大的变化。基因组研究发现,一个能独立生存的细胞所需要的最小基因组大小为1.5Mb1500条基因,少于这个数目的物种只能沦落为寄生物种,而需要宿主细胞来提供代谢物质完成生命周期。脊椎动物的基因在10,000-20,000条之间,人类基因组大小为3300Mb40,000条基因,水稻基因组也有40,000条基因。随基因组大小与数量的发展,物种的表现也由低等到高等有了根本上的改变,直至人类这样高智能的物种出现。到今天,人类能反过来从基因水平认识与研究自身,并能用基因这个工具来改造物种。

基因研究发现基因复制增加是基因组进化的主要动力之一,这种复制不是指细胞繁殖过程中的复制形式,而是一个基因组中因额外复制产生两个相同的基因,重复的基因可以因突变而发生差异,这种差异是以每100万年约1%的速率累积,可以逐步演变成与原先功能不同的基因,如果新基因的产物对物种自身是有害的,那带有这种新基因的个体就被自然选择所去除,如果是有益的,就会逐步扩展到整个群体而固定下来。由于不同功能基因的增加,物种的结构、表型和功能比原先的物种复杂了。这种基因组的进化从时间上说是漫长的,同源基因序列的差异与时间成正比,因此可以作为进化钟,计算同源基因任何两个成员间产生趋异的时间,以人的珠蛋白为例,一个同源基因完成完全的分离至少需要一亿年时间。这样的进化一般不会使新物种与原来的物种之间发生根本的改变,只是在原基础上的更新。如果用这种基因组的进化机制解释达尔文的进化论是非常完美的,给达尔文的物种变化是各种微小变化累积的连续进化论提供了物质基础。从脊柱动物的出现到高等哺乳动物人类的出现,基因组的基因数量翻了1~2倍,两者期间间隔的5亿年时间足以使物种的微小变化完成这样的累积。

基因组进化的另一种动力是外源基因的加入,这是因历史与科学发展水平的原因达尔文没有想到的。二十世界七十年代细胞融合技术和单克隆抗体的产生是分子生物学和免疫学发展史中重要的里程碑,这种技术就是将能产生某一种抗体的B淋巴细胞与小鼠腹水瘤细胞融合,融合的细胞既有瘤细胞长期繁殖传代的特性,又能生成某种特定的抗体。融合瘤细胞是外源基因促使基因组发展的一个实例,证明外源基因的加入也是基因组进化的一种机制。而病毒感染是自然界外源基因进入细胞典型的实例,病毒是寄生物种,它自身的基因组不足以完成自我生命周期,每一种病毒必须主动入侵某种特定的宿主细胞,在宿主细胞代谢系统的协助下,表达病毒基因组的产物和自我复制,来维持自身的延续,病毒的另一种运动方式是将基因组成分溶入宿主基因组,随宿主细胞的繁殖分裂传至下一代。

在分子生物实验室,一些病毒经改造已发展成为人类理想的基因载体,在医学研究和基因治疗中发挥重要的作用。在细胞生命活动中有一种内共生现象,如细胞可以吞噬或感染一些更小些的生命颗粒,容忍其在细胞内持续存在,如质粒与病毒等,这些细小生命颗粒有独立的基因组和复制子,这些独立的基因组和细胞核的基因组在进化过程中可以相互转移,这样细胞就将外源基因演变为己有。由于病毒具有入侵细胞的主动性,因此是物种外源基因参入的最主要源流,这种参入比较因细胞自身基因突变而产生新基因显得更直接更快捷;也由于病毒这种入侵细胞的的特性使其可以成为基因的使者,当一种病毒基因侵入细胞而带入的基因以及基因产物对细胞发展有利时,基因就会得以保留,并将新基因和其赋予的新特征传给子代,发展成为新的群体;如对细胞不利时,则自然淘汰。有人推测真核细胞中核的出现就是原核细胞(比真核细胞更原始更低等的细胞)吞噬了大的病毒颗粒演化而成的,病毒促使了原核细胞向真核细胞的进化。由于自然界病毒数量和种类的巨大(估计海洋中有1030病毒),加上病毒基因易变的特征,可以说病毒为被入侵的细胞所提供的新基因的广度(数量)、宽度(种类)和深度(结构的复杂性)几乎是无限的,然后由自然选择对因新基因加入而发生新特征演化的生物个体进行最佳筛选,逐步形成这个万物众生千姿百态的生命世界。

以病毒方式促使物种基因组的发展是以物种的传代而累积扩展的,一个简单物种如单细胞生物的传代是以分计算的,如今在任何一个分子生物学实验室中,用一个病毒载体将一个新的基因转入细胞并形成一个表达克隆(一群相同的细胞)是以天计算的;而一个较复杂的两栖类物种的传代也仅以年计算,因此由病毒带入外源基因造成物种基因组的发展速度是自然突变速度的几个或几十个数量级,再加上外源基因的异源性和多彩性,因此导致物种的快速进化、分化以及多样性主要是外源基因(病毒)带来的。我们可以合理地推测外源性的病毒基因参与是寒武纪物种大爆发和物种跃进式进化的物质基础,“寒武纪物种大爆发”是病毒给大自然带来的礼物。在这个时期物种发展与分化的速度与古生代的年纪相比是如此短暂,造成各种新发展的物种出现在以百万年计的同时代地层,给人们造成突然出现当今所有生物门类的假象,其实对于生命来说,几百万年、千万年也是够漫长的了。达尔文时代人们还未认识病毒这个巨大的物种,达尔文于1882年去世,1898年荷兰科学家贝杰林克发现病毒,1961年生物学家才发现基因的物质基础是核酸。达尔文没有认识到物种的进化有内在的变异因素与外来因素的加入两种方式,但他坚信他的生物进化学说是真理,当他的学说与事实发生无法解释的冲突对他来说是多么的痛苦,要他来解释寒武纪的物种大爆发超越了当时的历史条件和科技水平。

             寒武纪物种大爆发和病毒的起源

但是为什么物种大爆发在寒武纪发生呢?为什么病毒在寒武纪发挥它的威力呢?一个合理的解释就是病毒是在寒武纪前叶出现的。早在20世纪80年代,古生物学家就在寒武纪三叶虫首现层以下的样品中,发现了极高的铱异常。以后,在长江三峡的中部以及云南的澄江地区,通过对寒武纪底界的地质样品的分析,也发现了铱异常。铱异常是陨星撞击地球的可靠标志。这意味着在寒武纪前期,地球曾频繁地受陨星的撞击。高密度或大的陨星撞击,给地球带来灾难和死亡,寒武纪前的埃迪卡拉动物很可能正是陨星撞击地球的牺牲品。我们可以推测正是寒武纪前期频繁的陨星撞击地球这种极端的环境条件下,由于恶劣的生存状态,使一些细胞的基因组成分的丢失,退化成为病毒样的结构,这种以核酸为基础的结构更能抵御恶劣的自然环境;同时由于环境恶劣程度的差异,细胞基因组丢失的成分与数量也不同,因此随机形成复杂程度不同的各类病毒,以特有的无生命的状态而保留下来。进入寒武纪,地球生存条件改善,这些病毒通过入侵或吞噬获得进入细胞的机会,与经过劫难残留下来细胞物种共同促成了物种大爆发。因此说病毒是寒武纪物种大爆发的重要参与者,另一个需要补充解释的问题是,病毒的发生有内源性与外源性(细胞退化)两种方式,(见前博文,病毒的起源。)内源性病毒的发生与上述机制无关,内源性病毒基因的掺入与自身基因的增加和异化机制相似,病毒也没有向复杂化和大型化进化的机制。促进物种快速进化的是带有复制、异源、随机生存的外源性病毒,因为这类病毒因细胞退化的随机性,造成发生的病毒基因组的多样性与复制性,因此说是寒武纪前夕因地球环境恶变而生成的外源性病毒促成了物种大爆发。

在生命发展的低级阶段,细胞没有对抗病毒的机制,因此接受病毒基因的参入是无条件的,病毒的入侵可以决定一个物种的兴与亡,这对一个物种遗传的稳定性是不利的,但在这种不稳定中,按照物竞天择的达尔文进化论规则,物种于大浪淘沙中不断分化与进展,可以说在寒武纪,是病毒主宰了地球生物的发展。随着物种的进化,多细胞、多组织、多器官的出现以及细胞功能的分化,生命体适应外环境变化的能力越来越强,其内环境也越来越精细,由于外来物种的入侵打破这个精细的内环境的稳定,有可能使整个生命体解体并消亡,这样就促使了免疫系统的兴起。同时为了对应外环境的变化,也促使了神经系统的发展。在脊椎动物发展中新出现的40%的基因主要是施职于这两个系统的。免疫系统是专职清除进入体内的外来微小物种的,或清除因感染病毒而表面特征发生改变的细胞,入侵的病毒在免疫系统的压力下失去了扩展的机会。在三文鱼已经具备的脊椎动物完善的免疫系统保持了自身基因的稳定性,使外来基因入侵的能力受到极大的限制,因此寒武纪物种大发展后建立的物种框架基本上就稳定,物种进化跃进现象基本停止,回到自然突变的机制上各自进化。虽然寒武纪后病毒仍可将基因带入一些低等的物种,但由于已存在的高级物种的生存优势和资源占有,病毒参与低等生物基因组演化的机制还是存在,但为地球上普遍的优势物种所掩盖。

近年来科学家在百慕大进行了为期20天的考察,将生活在海面到海底4.8公里深处的浮游生物一网打尽。在捕获的数千种生物中,科学家已经对500种进行了分门别类,并对其中220多种的基因序列进行了分析。结果显示至少有20种浮游生物是没有原始同类的第一次发现,这中间可能有新发生的,当然也有可能是以往遗漏的。

智能世界的物种大爆发

随着人类掌握了研究物种的两把钥匙——核酸序列分析和基因工程学,我们已经进入一个新的物种大爆发期。这两把钥匙赋予科学家在实验室里创造新的物种的能力,可用转基因技术或基因“敲出”技术对物种改造。以前需要几千年甚至几十万年的自然进化过程,现在仅仅几个星期时间就可完成。当今转基因食物、转基因动物和转基因花卉作为新物种的代表已经进入人类的日常生活。全球估计有成千上万的分子生物学实验室,在进行新基因的创造实验,进行各种物种间的基因组合,甚至是动植物间、人与动物间的基因组合(如人的基因与兔卵的核外基因的组合,人类干细胞与羊胎的组合等等。)但与寒武纪物种大爆发有质的不同,前者是混沌世界的物种大爆发,后者来的将是智能世界的物种大爆发,它带来的是奇花异木的天堂美景,还是魑魅魍魉的现世浮屠,将由后来人来面对。

  



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