费多益:随机变化中的有序回应

——表观遗传的因果性反思

2018-03-29 11:05 来源:《自然辩证法研究》 作者:费多益

The Orderly Responses in the Random Change:The Causal Reflections on Epigenetics

 

  作者简介:费多益(1973- ),女,江苏苏州人,哲学博士,中国政法大学人文学院教授,研究方向为科学哲学。北京 102249

  原发信息:《自然辩证法研究》第20178期

  内容提要:生命的多样性被进化论归因为随机突变,然而引起变异的根本原因在于条件因素的改变。除了外部的环境,机体还积极创造着自己的内环境;躯体的疾患,与其说来自细胞结构的异常,不如说源于体内生境平衡或稳定性的丧失。在微观层面,那些能与其它基因所提供的遗传气候相协调的基因得到了进化的偏爱。后天外在环境造成的经验影响可以在不更改DNA序列的情况下,通过表观遗传对基因进行修饰使其表达发生转变,从而在代际间继承。可遗传的环境印记挑战了生物学的中心法则,无论哪些特定的基因被激活,表观遗传效应都被环境所诱发,基因的作用更多地缘于生物体对环境刺激的回应。

  Evolutionary theory attributes the diversity of life to random mutations.Yet the underlying causes of variation are changes in environmental conditions.The body does not just live in the surrounding environment,but also actively creates its own internal environment.At the micro level,genes that are compatible with the genetic climate provided by other genes are favored by evolution.The acquired experience caused by the external environment can modify genes through the epigenetic way so that its expression may be changed without changing the DNA sequence.Hereditary environmental imprinting challenges the central principle of biology:epigenetic effects are induced by the environment no matter what specific genes are activated.

  关键词:变异/环境/基因/表观遗传  variation/environment/gene/epigenetics

  标题注释:教育部人文社会科学重点研究基地重大项目《语境论的生物学哲学问题研究》(批准号:14JJD720024),国家社会科学基金重大项目《高科技伦理问题研究》(批准号:12&ZD117)。

 

  在人类的行为中,遗传和环境因素究竟产生了怎样的作用?对这一问题的回答有助于我们从根本上认识行为的本质。本文通过分析相关的实验证据与理论主张,试图为这一疑问的解答提供可能的视角与思路。

  一、变异中的环境变化积累

  任何一种行为都有它的遗传基础,而产生变异也被认为是一切生物都具有的特性。如果缺乏连续的变异,自然选择就是不充分的。在各种各样的变异中,有些无法遗传,有些则可以遗传,如基因突变、基因重组等。在新达尔文主义的理论中,种种突变充当了连续变异的角色。很多例子被用作表明进化性变异与结构基因密切相关,例如,青霉素使用的迅速增加,使得细菌渐渐产生了对抗生素的抗药性。不过,在很多情况下,抗药性并不必然出现:有时,基因突变只是简单地使抗生素比通常情况更快地被排出细胞或比通常情况更慢地进入细胞;有时,抗生素在细胞内部相关酶的作用下无法发挥效力;另一些时候,抗生素的对象发生了细微的变化使得抗生素失效。在这些情形中,细菌和病毒的突变只不过是围绕一个平均状态的遗传波动而已,它们仅仅强化了细胞已有的功能,却没有增加新的遗传信息,也就没有产生最终进化的效果[1],因而这样的突变并不产生真正的变异。

  那么,是否只要经历足够长的时间,不断发生的微进化过程将最终导致宏观上的变异?答案是否定的。达尔文在其《物种起源》结语中指出,自然选择假如只是积累细微、连续而有利的变异,就不会产生什么巨大或突然的变异,而只会按照简短而缓慢的步骤而起作用。DNA的基本序列发生一个百分点的变化,需要一千万年;而在六百万到一千万年的时间跨度内,动物界现存的几乎所有门类都出现了,这是不可能用个体基因功能的突变来解释的。[2]显然,突变的速度是个重要的问题——如果带来真正益处的发展性突变很少,那么,宏观进化就会成为缓慢、艰难、曲折的进程。情形恰好相反,引起变异的根本原因是环境条件的改变。

  进化论将生命的多样性归因于随机突变,突变的基因带给拥有它们的个体更高的存活与繁衍的机会。作为偶然性的一种形式,随机性代表了某一概率的事件集合中各个事件所表现出的不确定性。当随机的因子出现时,还原论不再能预测结果的产生。生物体所执行的记录在DNA中的指令,存在着许多随机的组合,这就是为什么每个人的指纹会各不相同,以及为什么仅仅少数抗体基因却能产生上百万种抗体抵御各种入侵异物的原因。同卵双生子个性上的差异也体现出成长过程中或然性的作用,它们包括:孕期血液供应的随机差异;接触毒素、病原、荷尔蒙的随机差异;大脑形成过程中轴突粘连的随机差异;大脑对经验中相同事件作出反应的随机差异等。

  不过,尽管突变是随机的,但世代之间的累积变化并不是随机的。从分子水平上看,基因既成功地保持了它们自身的类,又不断产生出新颖性。每个生物都把防卫生命的诀窍储存在DNA中。虽然发现任何新的遗传信息的方法是盲目的,因为基因并不知道它们往何处去,但正如世界上其他任何现象一样,突变的过程是有规律的。构成这一过程的基础的规律性不具有动力学的性质,而具有统计学性质。如果进化是通过变量的纯粹偶然的组合进行的,那么根据古生物学的材料判断,这一进化不能以实际上完成的速度进行。换句话说,任意物种的机体,如果它的组合是绝对偶然的,那么它们就比成功的组合的机体死得早。一些简单的观测也表明生物变异受到的限制:小鸡不能下出圆柱形的蛋;李子的个儿头不会像豌豆或柚子一样大;某些人能够长到两米高,而另一些连一米也达不到,但是没有人长得超过四米或不足两尺……从本质上讲,虽然通常每一种特性都隐藏一些变异性,但是总存在对它们的限制。

  同时,突变又通常表现为轻微的和保守的。有很大一部分的突变甚至不产生生物分子单位;少数突变即使产生了结构,也都是些非功能型结构,很快就会被淘汰而消失。真正通过大自然检验的只有那样一些突变,即它们的增加量刚好足以适合整个机体合作。例如,当兔子变异时,不论是通过变异的等位基因表达,还是通过突变表达,情况不是“某些兔子没有变化,某些则以两倍于以往的速度跑动”,而是有的跑得稍快一点,有的跑得稍慢一点,且增加和减少的速率必须与兔子的所有其他极重要的新陈代谢和行为的得失整合在一起。演化很少会抛弃什么,生物结构只是经过转变而被改良,从而承担起其他功能,或被调整到朝着另一个方向演化,这就是达尔文所说的改良式继承。就这样,鱼类的前鳍变成了陆栖动物的前肢;随着时间的推移,前肢又演变成了蹄、爪、翅、手和蹼。偶尔,一种结构也会失去所有的功能从而成为多余的,但这是一个渐进的过程,它往往终止于退化的痕迹,而不是完全消失,例如,在鲸的皮下,我们可以发现微小的腿骨的痕迹;在蛇的身上,我们也可以发现残余的骨盆……好比俄罗斯套娃,在新的性状中总是保留着原有性状的痕迹[3]。

  由此可以看到累积选择作为一个基本的非随机过程的强大力量。基因具有保卫生物体生命的巨大潜能,尽管这并不是深思熟虑的设计的结果,但基因的确有一种累积的智慧,这使它们比遥远的祖先的基因更好地演化。这种智慧由两个方面组成:一方面,基因在进化过程中变得有组织;另一方面,基因变得更善于执行它们的任务。[4]或许,偶然的突变正是这种智慧的一部分——从生命起源至今,数亿年以来,生物从简单到复杂、低等到高等不断地演进着,变化的环境以及生存竞争诱导着它们通过突变摸索生命的诀窍。

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(责任编辑:李秀伟)
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