问题

基因突变的力量有多大?

回答
基因突变,这四个字听起来带着一丝神秘和改造的力量。它不像一道闪电劈开大地,也不是火山爆发那样惊天动地,但它所蕴含的改变世界的潜力,却可能比我们想象的要更加深远和持久。

你可以把基因突变想象成是生命这本厚重书籍中,某些字母被悄悄地替换、增减或者重新排列了。这些微小的改动,发生在DNA这个记录着生命蓝图的分子上。从单个碱基的改变,到一大段基因的复制、删除甚至倒置,突变的类型多种多样,而它们所带来的后果,也千差万别。

微小的改变,可能引发巨大的涟漪。

我们常常会听到“基因突变导致癌症”这样的说法,这确实是基因突变力量的一个侧面。身体里的细胞,就像一个个辛勤工作的工人,它们遵循着DNA的指令来生长、分裂、工作和死亡。当负责细胞生长调控的基因发生突变,就像是给“加速器”卡住了,细胞就会失控地疯狂增殖,最终形成肿瘤。而许多致癌因素,比如紫外线辐射、某些化学物质,或者病毒感染,它们的作用方式很多都是通过损伤DNA,诱发突变。

但这仅仅是冰山一角。基因突变的力量,更体现在它对生命演化的驱动作用上。生物的每一次繁衍,都是一次对DNA的复制过程。而在这个过程中,偶尔会出现一些“小差错”,这就是基因突变。大多数情况下,这些突变并没有什么特别的作用,或者甚至是负面的,导致个体难以生存。

但是,总有那么一些“幸运的”突变。

想象一下,生活在一个资源日益稀缺的环境中,能够更有效率地消化某种食物的个体,就更有可能在饥荒中生存下来,并繁衍后代。这种能够帮助个体更好地适应环境的突变,就会随着时间的推移,在种群中传播开来。这就是自然选择在起作用。

举个例子,人类的眼睛为什么能看到这么丰富多彩的世界?这背后是亿万年基因突变和自然选择共同作用的结果。从最早能感知光线亮度的简单感光细胞,到如今拥有复杂晶状体、视网膜和大脑处理能力的眼睛,每一个进步,都离不开基因的精妙改变。

再比如,抗生素的出现,让曾经威胁人类健康的许多细菌束手无策。但细菌的繁殖速度极快,这使得它们在基因突变方面也表现出色。总会有那么少数的细菌,由于基因突变,能够抵御抗生素的杀伤,然后迅速繁衍,形成耐药性菌株。这就是我们在抗生素时代不断面对新挑战的原因,也是基因突变在“军备竞赛”中的体现。

基因突变,也是创新的源泉。

生物界中的许多奇特而美丽的性状,都可能源于一次偶然的突变。比如,有些植物的叶子颜色鲜艳,是为了吸引传粉者;有些动物拥有保护色,是为了躲避捕食者。这些特性的出现,往往与基因中一些微小的改变有关。

甚至,我们人类本身,也因为基因突变而变得与众不同。例如,有研究认为,与黑猩猩相比,人类大脑能够更高效地工作,可能就与某些关键基因的突变有关。这些突变可能影响了神经元的连接方式、能量的利用效率等等,最终塑造了我们今天惊人的认知能力。

然而,也需要警惕它的另一面。

虽然基因突变在演化中扮演着重要的角色,但它并非总是带来好处。许多遗传性疾病,比如囊性纤维化、亨廷顿舞蹈症,都是由单一基因的突变引起的。这些突变导致身体某些蛋白质无法正常工作,从而引发一系列严重的健康问题。

总结一下,基因突变的力量,就像一把双刃剑:

它能够带来毁灭: 导致疾病,甚至是我们熟悉的癌症。
它能够孕育新生: 是生命多样性的基础,驱动着物种的演化和适应。
它能够创造奇迹: 那些令人惊叹的生物特质,往往是突变累积的结果。

理解基因突变的力量,就像是理解了生命这本书隐藏的秘密。它告诉我们,生命并非静止不变,而是一个充满变数、不断自我更新和创造的过程。每一次微小的DNA变化,都可能在漫长的时间长河中,汇聚成一股改变生命的强大力量。

网友意见

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几千万年的时间,就能把一种陆生或者半水生,放现在也许只有中型犬大小,长着蹄子的哺乳动物,变成完全水生的海洋哺乳动物,顺便还占据了最大哺乳动物的宝座。你猜对了,就是鲸类。

而且更有意思的是在这几千万年里,这两个差了几千万年历史的物种在某些方面几乎没有变化,比如颌骨的形态。哪怕过了几千万年,鼻呼吸道从紧挨着嘴巴的的地方慢慢迁移到脑瓜顶,鲸类的上下颌还是那么又尖又长,其中保留牙齿的鲸类,其牙齿可以说还是几千万前年刚下水时候的样子。其他骨骼却是天差地别,海里那类直接退化掉后肢,前肢由蹄子演化回鳍,以一种非常奇特的泳姿纵横万里海洋。

根据各种化石记载与现存水生非鲸类脊椎动物活体的记录,这些在水里游的脊椎动物都是肌肉让脊椎左右弯曲来推动水流,而鲸类则是让肌肉带动脊椎上下(对应人类则是前后)弯曲来推动水流,尾巴也特意演化成了水平尾鳍。这就是鲸类的绝活,绝活到连后肢都可以不要。

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可以说一点都不大

就我坐这儿回答这个问题的时候,我的体内就正在发生着基因突变。

此时我体内的细胞正在分裂,复制DNA的时候需要一个碱基一个碱基地被复制;人类基因组如此之长——超过 30 亿个碱基——即使是百万分之一的惊人低错误率,每次细胞分裂也可能导致 10 个新突变。

我们平时在晒太阳、坐飞机、喝酒、抽烟的时候,无一不是在促进新的突变。

哪怕是遗传给下一代的突变,据估计,每次人类 DNA 代代相传时都会积累 100-200 个新突变[1]

大多数都看不出来啥影响吧?

所以,突变绝大多数时候是没有什么影响的,或者即使有影响,也不会立即出现翻天覆地的变化的。

也可以说非常大

这种随机的错误(突变),正是我们适应环境的表现之一,总有一些突变能够更适应环境让族群更好延续(也有一些突变能够加速死亡,比如癌症相关的)。

人工选育合适的突变基因在农作物、家禽、家畜、宠物身上应用了很多年了,一些稳定的遗传突变多年累积起来,可以让后代与它们的祖辈完全不一样。

玉米、水稻、小麦等等都是人类祖先有意识的挑选那些更适合人类喜好的后代(产量高、味道好)进行培育,逐年挑选,就成了现代我们看见的样子。这个过程称为「驯化」。

比如下图左:玉米的祖先墨西哥类蜀黍(又名大刍草);右:现代玉米(图片来源:Doebley, 2014, Annu. Rev. Genet. 38:37–5)。

回到人体身上,某些癌基因的突变就可能会导致人获得癌症,某些基因突变也可以让人免疫艾滋。艾滋病毒控制者——虽然感染了艾滋病病毒,但不能发展为艾滋病——具有HLA基因变异,可促使特化细胞涌入,攻击对病毒功能至关重要的蛋白质。

基因突变虽然随机且大多没有意义,但是里面也充满了惊喜。

参考

  1. ^ https://www.nature.com/articles/news.2009.864

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