每代基因突变的数量和原因

CAMERAS AND RATCHETS

遗传学家们也同样痴迷于研究受损的DNA。然而分子生物学家关注的是可以修复的损伤，遗传学家关注的则是那些无法修复的损伤，他们称之为“突变”。

科学家曾经认为突变是非常偶然的事件，然而最近几年他们逐渐意识到突变发生的概率很高。在哺乳类动物中，每个基因组平均每代大约发生100次突变。也就是说，子女和父母之间大约有100个不同之处，也许是由于随机复制基因时产生了错误，也许是由于宇宙射线引发卵巢和睾丸突变。这些不同之处，大约99%都无关紧要，它们被称为沉默突变或中性突变，不会对基因产生影响。人体的7.5万对基因中，这些改变可谓微不足道，也没有什么危害，但逐渐累积就会演变成严重的缺陷。当然，一些新观念也会应运而生。

谈到突变，公众就会认为大部分的突变都是有害的，而且许多突变会造成基因突变者和突变遗传者死亡（癌症就是始于一个或多个突变），但偶尔也会有好的突变存在，这是一个真正的进步。比如，一个人若拥有两个镰状细胞贫血突变的副本，那么他将必死无疑。但这种突变却在非洲某些地区有所增加，这是因为它对疟疾有免疫作用。

遗传学家多年来致力于研究正向的突变，他们觉得性是传播突变的方式，就像大学之间或企业之间的交流合作一样。正如科技需要向外界输出创新思维一样，动植物也需要性来创新，而那些只依赖自己去创新的动植物就相对会比较落后。为了改变落后的现状，一些动植物就会想方设法从别的动植物那里乞讨、借用或者盗用创新的基因，正如某一公司剽窃同行的发明成果一样。植物育种家试图培育高产、短茎和抗病能力强的水稻种子，正如生产厂家与许多不同的发明家都有合作一样。而无性植物育种家就必须耐心等待同一谱系中新发明的逐渐累积，这就是为什么300多年间，蘑菇没有多大变化的原因，它属于无性生殖的植物，因此无法进行选种繁殖。

“借”基因最显著的成效是可以使其自身和他人的才智相结合，从而获益。性可以集结突变，不断地重组基因形成新的突变，产生偶然的协同作用的结果。比如，长颈鹿的祖先之中，可能有的脖子修长，有的腿部修长，两者的结合成就了现在更为优秀的长颈鹿。

但这个论点的问题在于，它混淆了原因和结果。借用基因的优势要在几个世代以后才能显现，这未免过于遥不可及，到那时无性生殖的对手早已在数量上远远超过有性生殖的物种。与此同时，性如果对于拼凑优秀基因如此在行，同理可推断，它在破坏基因重组方面将更胜一筹。但是，对于有性生命体可以肯定的一件事是，子女与父辈之间会有所不同，如恺撒、波旁王朝、安茹王朝也出现了许多令人失望的后代。植物育种家更偏爱生产无性种子的小麦或玉米的变异，因为这样可以确保优秀的基因如数遗传给下一代。

性几乎可以被定义为破坏基因结合的事物。遗传学家大声疾呼性减少了“联系失衡”。他们指的是，若没有基因重组，原来在一起的基因（像蓝眼睛和金头发）就应该永远结合在一起，不会有人同时拥有蓝眼睛、棕头发或者金头发、棕眼睛。多亏有性，传说中的协同增效作用一经发现，就立刻消失得无影无踪了。性违背了“没受损，就不要修复”的原则。同时，性增加了随机性。

20世纪80年代末期，关于好突变理论的兴趣热潮最后一次复苏。马克·柯克帕特里克（Mark Kirkpatrick）和谢里尔·詹金斯（Cheryl Jenkins）关注的并不是两个单独的发明，而是两次发明同一个事物的能力。试想，如果蓝眼睛可以双倍繁衍，那么蓝眼睛双亲的后代在数量上会是棕眼睛双亲后代的两倍。假设最初所有人都是棕眼睛，首次突变后产生蓝眼睛，但因为蓝眼睛属于隐性基因，无法发挥作用，居主导地位的棕眼睛基因会掩盖它的特征。只有当双亲都具有蓝眼睛的隐性基因时，蓝眼睛的特点才会突显，这时性就起了关键作用，只有性可以使人类交配，使基因相遇。这个被称为“性隔离理论”，它符合逻辑，我们对此毋庸置疑。这的确是性带来的益处之一。然而，遗憾的是，它的效力太弱，不足以有效解释性为什么会普遍存在。相关数学模型表明，好的突变真正奏效大约需要5000个世代，而到那时，无性生殖物种早已赢得了这场比赛。

近些年来，遗传学家厌倦了对好的突变的研究，转而开始思考恶性的突变。他们提出的性是摆脱恶性突变的一种方式，这种想法可以追溯到20世纪60年代，由诱导突变第一人——赫尔曼·穆勒最先提出。他在1911年首度发表了大量关于基因的科学研究报告，在其后的数十年中，又提出了许多观点，进行了无数次的实验。随后在1964年，他又提出了在性研究史上最具洞察力的理论“穆勒的棘轮”。我们用一个简单的例子来解释该理论：水缸中有10只水蚤，只有1只完全没有突变，其他的或多或少都受到突变影响导致缺陷，平均每代只有5只水蚤会在被鱼吃掉之前生育繁衍，健康的水蚤生育的概率仅有1/2，有缺陷的水蚤也无一例外，但二者之间是存在差别的。一旦健康的水蚤意外身亡，想要重新创造一个健康的水蚤，唯一的途径就是在有缺陷的水蚤中再次突变，以此来更正其恶性突变，当然这种可能性微乎其微。但两种单一的恶性突变相遇，就可以创造出具有两种恶性突变的水蚤。换言之，系谱中拥有正常基因的后代死亡会导致基因缺陷概率上升，这就好比棘轮，可以轻易向前转动，却无法逆转，因此遗传缺陷必然会逐渐累积下来。阻止棘轮转动的唯一办法，就是健康的水蚤在死去之前，通过性，把无缺陷的基因传给后代。

如果你会使用复印机复印文件，你就会发现穆勒的棘轮效应理论在此也同样适用。如果每次用新复印出来的文件继续复印，效果会越来越差。只有用原始干净的版本复印出来的文件才最清晰。但假设你将原始文件和复印文件存放在一起，开始复印时，你选择的可能是原始文件，也有可能是复印文件。一旦原始文件丢失，你得到的最好的复印文件也不如原始的那张清晰，但如若复印的是效果不好的复印件，那复印件也会越来越差。(www.xing528.com)

在世纪之交，麦吉尔大学的格雷厄姆·贝尔在生物学界发起一场空前激烈的辩论，即性是否具有复原的功能。引发争端的问题是：水槽中原生动物有充足的食物，却没有交配的机会，结果其活力、体型和生育率（无性生殖）都呈逐渐下降的趋势。通过重新分析实验过程，贝尔发现了穆勒的棘轮效应在发生作用的证据。原生动物在没有性的情况下，恶性突变的基因逐渐在物种中累积扩散。而原生动物中的纤毛虫虽保留了种系基因，但只使用复制品，更加快了恶性突变，累积的过程。这种复制的方法草率又有失精准，所以缺陷的积累会更为迅速。而在有性生殖过程中，生物会舍弃副本，并从原始的种系基因中创造出新的基因。贝尔认为，纤毛虫的复制过程就好比木匠在仿制一把椅子，他一直参照他所做的上一张椅子，所有的错误也都照搬了过来，只是偶尔才看一看初始设计图。这么说来，性的确具有复原功能。体型较小的动物一旦交配，就可以舍弃无性生殖在棘轮效用下累积的错误。

贝尔的结论有些奇特。如果物种数量偏少（少于100亿）或生命体中基因数量庞大，无性的谱系就会深受棘轮理论的影响。因为若物种总数太少，健康的基因就比较容易消失。因此，基因组较大而总数较小的生物，将很快陷入棘轮效用的泥潭，而基因组较小、总数量庞大的物种就会幸免。贝尔还猜测，有性生殖是体型庞大生物（因此数量相对少）的先决条件，反之，对于体型较小的生物来说，性就不是必需品了。

贝尔计算了阻止棘轮效应所需的性数量，或者，更确切地说，重组数量，他发现生物越小，越不需要性。水蚤每隔几代才会进行一次有性生殖。而人类世世代代都要依靠有性生殖繁衍。威斯康星大学的詹姆斯·克罗则提出，穆勒的理论也解释了为什么芽殖是一种较为罕见的繁殖方式——动物中很少见。为什么大多数无性物种会不厌其烦地以单细胞（卵子）繁衍？克罗指出：这是因为单细胞中致命的缺陷可以轻易转移到胚芽里。

若是棘轮效应只存在于大型生物中，为什么那么多小型生物也会有性呢？另外，要阻止棘轮效应，只需要偶尔进行有性生殖就可以了，不需要那么多动物都放弃无性生殖。在莫斯科附近的计算机研究中心工作的阿列克谢·康德拉肖夫（Alexey Kondrashov）意识到了这些问题，他在1982年提出了一个几乎是反棘轮效用的理论。他指出，在无性种群中，一旦生物因突变而死亡，突变也会随之消失。在有性种群中，有些生命天生带有很多突变，而有些携带的就较少。若突变较多的个体死亡，性会不停地反转棘轮，清除突变。由于多数突变都是无益的，这就为彰显性的优势提供了新的证据。

但为什么要用这种方式清除突变而不是通过更严密的检查模式呢？康德拉肖夫给出了一个巧妙的解释：这种精密的检查模式越接近完美，其制造的成本就越高，用经济学术语说就是“报酬递减定律”。允许错误的发生，然后通过性清除恶性突变，则更为经济。

著名的分子生物学家马修·梅塞尔森（Matthew Meselson）拓展了康德拉肖夫的想法，马修认为普通的突变只改变了基因密码中一个字母，基本无害，因为它们可以被修复。但插入——整段DNA跳入基因中——就很难修复。这些“自私”的插入物会像传染病一样散播开来，而性会把它隔离在特定个体之中，随着特定个体的死亡，它们就会被清除。

康德拉肖夫打算用实验来证实他的观点。他说，如果恶性突变在每代的每个生命体中出现至少一次，那么情况尚为乐观，但若少于一次则对他的观点不利。目前的数据显示，恶性突变的发生率在边缘徘徊，大多数生物每一代中的个体都会发生一次。即使发生率很高，这也只能说明性具有清除突变的作用，却不能解释性持续存在的原因。

与此同时，我们必须认识到这个理论本身也存在缺陷，它无法解释细菌（多数细菌属无性生殖，有性生殖的细菌很少）为什么在没有性的同时保持低突变的发生率，并且在复制DNA过程中校对的错误也较少。康德拉肖夫的批判者对此也颇有微词，认为进化为管家角色的性是“一种烦琐而奇怪的工具”。

康德拉肖夫的理论和所有的基因修复理论以及善变的牧师理论存在着同样的问题：有性生殖的优势需要很长一段时间才能显现。和克隆版的无性生殖个体竞争，有性生殖很难超越克隆的复制速度，除非它们的基因缺陷及时出现，否则有性生殖必败无疑。这是一场和时间的比赛，问题是需要多久呢？印第安纳大学的柯蒂斯·莱弗利（Curis Lively）通过计算认为，物种数量每增长10倍，有性生殖就能多出6个世代的时间来展示它的优势，否则就会输掉比赛。若个体总数为100万，那么有性生殖就可以多出40个世代的时间来展示优势；若个体总数是10亿，那就可以多出80个世代的时间。然而，所有的基因修复理论都认为，要经历数千个世代，工作才会完成。康德拉肖夫的理论所需的时间最短，然而可能远远不够。

迄今为止，依旧没有一个得到广泛认可的纯粹的遗传学理论来解释性行为。越来越多进化学的研究者相信性这个谜团的谜底会藏在生态学中，而非遗传学里。