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为什么地球的物种比我们想象的要少

表观基因组上的引物。

在2012,我跑了一个旅程,采样澳大利亚大堡礁的鹦鹉螺种群,明确地看彼得沃德是否生活鹦鹉螺。

IN 2012,我跑了一个旅程,采样澳大利亚大堡礁的鹦鹉螺种群,明确地看是否生活在礁石海洋保护区的鹦鹉螺是稀有的,因为它们被捕捞到它们漂亮的贝壳(比如在菲律宾和印度尼西亚)。20世纪90年代大堡礁的工作表明,有两种不同的和被接受的物种存在。一,鹦鹉螺在太平洋和印度洋范围内,鹦鹉螺是最普遍的。第二,狭齿鹦鹉螺只在大堡礁上找到。它不同于更常见的庞庇利乌斯在它的外壳中心有一个洞。庞庇利乌斯壳上有一层厚的钙质插塞,壳上的色泽和条纹图案也有明显区别。但在二十世纪底,澳大利亚物种首次从1000英尺的栖息地生出时,科学家们惊讶地发现,狭脉在其厚厚的“罩”上有明显不同的解剖结构,这是一个大的肉质区域,当动物伸进壳体内时,它可以保护内部的内脏和其他的解剖学柔软部分。进入庞庇利乌斯引擎盖上覆盖着低洼的肉,像疣。与此同时狭脉遮光罩上覆盖着一层毛茸茸的突出物,像一条浓密的细长的苔藓地毯,或是微小的果树。

Hans Hillewaert

2012次旅行是对两种“物种”的DNA进行取样,以便更好地了解有多少鹦鹉螺生活在特定的海底区域。我们在九天内抓获了30只鹦鹉螺,每只鹦鹉螺的90只触须中有一条长出一毫米长的尖端,并全部返回到它们的栖息地(如果摇摇欲坠的话)。所有的样本都是在读取DNA序列的大型机器中进行分析的。庞庇利乌斯形态不同狭脉是一样的。没有遗传差异,但形态完全不同。解释这一点的最好方法是回到进化过程中最有用的类比之一:滚珠滚下一个由许多沟壑组成的斜坡。哪个球滚下来(对应于最终的解剖学或生长动物的“表型”)是由球的推动方向控制的。在进化过程中,生物体的最终形态命运是由生物体在生命早期或在鹦鹉螺的情况下暴露的环境的某些方面引起的,而在孵化之前,它们在整个一年的过程中缓慢地发育在它们的大卵中。也许这是温度的差异。也许这是胚胎遇到孵化的力量,或者当新孵化出来的时候,小鹦鹉螺(直径1英寸,有八个完整的腔室)发现不同的食物,或者它们可能受到攻击和生存,即有两种不同的食肉动物。这就是为什么庞庇利乌斯狭脉不是两种。它们是一种具有表观遗传力的单一物种,导致壳和软部的根本不同。越来越多的人看来,地球上的物种可能比科学界定义的物种少。

越来越多的生物学家发现,被认为是不同物种的生物体其实是一种。最近的一个例子是,以前接受的两种北美巨型猛犸象(哥伦比亚猛犸象和绵毛猛犸象)的基因是相同的,但这两种表型都是由环境决定的。


T这里有许多矛盾的用法。表观遗传学这一切都导致了科学家之间以及科学家和科学记者之间的巨大分歧。这不是一个孤立的事件:在科学中有很多案例,不同的科学家在不同的语境中使用特定的术语,在同一个词的意义不同的情况下,会产生混淆。仅在过去的十年里,关于表观遗传学的书籍、通俗文章和科学评论的数量就不断增加,其中的词的含义和方式也不同。(根据许多评论家的说法,过度使用。)

这个词的来源来自英国生物学家Conrad Waddington。表观遗传学研究“基因型”(一种生物体所包含的基因的总和)如何转化为“表型”,即生物体的实际物理表现,以及它的各种和特殊的化学性质和产物,正如我们越来越清楚的,它的行为。但是对于其他的科学家来说,有一个更具体的意义:表观遗传学是遗传基因功能的研究。通过的从一个再生细胞到另一个再生细胞,是指体细胞(体)细胞或生殖细胞(精子或卵子),而不涉及原始DNA的改变。序列. 后一种情况会导致重大的进化变化。在“减数分裂”过程中,细胞(精子和卵子)在有性繁殖生物体中的复制,信息被放进精子或卵子中,就像一些异国的秘密书写一样,只有受精后才可读。

表观遗传学似乎了解特定细胞在特定解剖位置的特定时间如何“知道”如何转变成完全不同的东西。

表观遗传学(或遗传表观遗传学,或新拉马克学说)是一系列不同的过程,它们可以引起进化的变化,并决定生物是如何从一个受精卵发育出来的(至少在有性繁殖的情况下),就像我们成年时的样子。有人说,这只是对已经理解的过程的一个小小的调整,在进化的更广泛的计划中,或者过去甚至未来的生命史中,它是没有什么重要性的。但对其他人来说,表观遗传学虽然还没有被理解,但其潜在的重要性远比主流进化理论重要,主流进化论者已经接受了这一点。对一些人来说,它正在进行的发现正在引起一场正在展开的科学革命。但在我们称之为“生物学”的许多领域中,这些发现并没有均匀地发生。重大突破主要是研究细胞和细胞内的分子,包括DNA和RNA以及遗传学的其他方面。但迄今为止,在将表观遗传变化与化石和化石记录所证明的许多事件联系上,几乎没有任何进展。

在遗传学上,基因被突变破坏,并永久性地改变。表观遗传效应发生在长DNA链上的单个基因被“小分子”污染时,每个分子只附着在长DNA分子的一个小位点上。这可能导致一种积极使用的基因,例如一种决定特定蛋白质的生成被阻止其正常活性的基因。这种蛋白质已经不复存在了。但有时一个这样的基因块会影响数百个基因的正常操作,例如当一个主控基因(称为HOX基因是无意中关闭的。因为HOX基因控制数百其他基因通过告诉它们何时何地打开和关闭,单个基因的表观遗传改变现在影响了大量其他基因。HOX基因决定器官、四肢、皮肤和发育中生物体的每一部分的建立。引起一HOX基因关闭可以有深远的生物效应远远大于任何单一的突变。通过这种方式,表观遗传变化可以从根本上快速地改变有机体的解剖结构。

在表观遗传学中,不活跃(沉默)的基因可以被唤醒,并通过环境刺激开始在生物体中引起生物效应,如果这些环境刺激不存在,环境刺激就不会发生。它们不一定是永久性的变化:小的附着分子不是永久性地被焊接在一起的;DNA早已进化出修复自身的方法,包括去除这些有害分子。因此,在大多数情况下,影响我们的表观遗传变化对我们的后代没有影响。但有时这些表观遗传变化会通过卵和精子传递。

野生动物/盖蒂图像

表观遗传学的研究归结为观察两种表观遗传变化。第一类变化是生物体通过自然选择所经历的“正常”表观遗传变化。例如,我们身体中的每一个细胞都包含了成为许多人之一的必要信息。具体的为维持生命所必需的各种细胞,如神经细胞、肌细胞和生活所必需的许多其他高度专门化的细胞类型。每个细胞包含DNA信息成为任何或全部。但确实如此。但他们没有。涉及表观遗传学的科学看起来是理解特定的细胞在特定的时间在特定的解剖位置“知道”如何根据时间、地点和功能改变成完全不同的东西。但这种变化是有机体预见到的,是有益的。

第二种表观遗传改变导致对生物体的不可预见的修饰,而不改变对特定基因的遗传编码,但它也通过这些变化。它可以导致从细微到深刻的变化,并且可以遗传。“拉马克”的变化是在其环境中遇到的东西,在生物体的生命中不一定是预料到的,通过添加微小的分子,或通过保持特定形状的扭曲DNA分子的支架的形状变化,引起DNA的化学变化。其他类型的表观遗传变化也可能是由小RNA分子对某种外部环境变化作出反应所引起的。

它们中的每一个都可以通过打开或关闭基因来改变基因的作用。这可以包括一些我们生命中最重要的基因,那些通过荷尔蒙调节和提供情感的速率影响我们的行为的基因。


H更详细地描述了产生表观遗传变化的最重要的识别手段:

甲基化在DNA中加入碳、氧和氢的非常短的链,这通常使基因活性沉默。

Histone修正案涉及化学物质(组蛋白),其作用类似于DNA分子的支撑结构。它们可以使DNA的形状发生变化,从而使DNA本身或多或少地堆积起来。当它们通过加入几个小的化学分子中的一个(又一个甲基分子,这是一个带有氢原子的单个碳原子的微小分子),以及由只有几个原子组成的额外的小化学基团时,它们被加入到更大的组分中,从而改变了这种化学“支架”的整体形状,这种“脚手架”将DNA分子保持在细胞内。当如此包装时,DNA很难通过读取RNA的小分子RNA到达细胞的蛋白质工厂,如核糖体,其中DNA所需要的蛋白质实际上是被构建的。

我们可以传递我们的好习惯或坏习惯的生理和生物学效应,甚至是我们生活中获得的精神状态。

第三种改变是由影响上述染色质(组蛋白)的微小RNA分子(RNAi)引起的。事实上,不同长度的RNA分子的多样性组合现在已知是基因表达的调节器,并被用于基因组防御外来基因元件,如病毒对细胞的攻击。小RNAs修改染色质结构的形状,并可以停止(沉默)的过程称为转录一个基因决定哪个蛋白质应该被构建。

有时表观遗传改变导致蛋白质不被制造。有时它会产生一种新的蛋白质,否则不会发生。有时,最重要的是,它会导致一个调节基因(本质上是“总承包商”协调身体忙碌的建设项目中的所有细胞)完全离开工作。这导致了巨大的变化远远超出了任何单一突变所能做到的。影响个人的这种变化可以传递给下一代。甲基分子不是物理上传递给下一代,而是它们在一个全新的生命形式(下一代生命形式)中以相同的位置附着的倾向。这种甲基化是由身体突然的损伤引起的,例如中毒、恐惧、饥荒和濒死体验。这些事件都不是来自甲基小分子,而是它们在体内产生小甲基分子,在特定的和关键的部位聚集到体内的整个DNA上。这些行为不仅对人的DNA有影响,而且对后代的DNA也有影响。黎明的观点是,我们可以传递我们的好习惯或坏习惯,甚至在我们生活中获得的精神状态的生理和生物效应。

这是从进化论到自然选择的重大转变。遗传表观遗传学不是一个缓慢的、千年的过程。这些变化可以在几分钟内发生。被愤怒的情人随机击中头部。一个病态的性虐待父母。吸入有毒烟雾。在宗教狂喜中来到上帝面前。一切都能改变我们,也有可能改变我们的孩子。

在遗传表观遗传学中,我们通过同一个基因组,但有一个标记。作记号“甲基分子附着在一个核苷酸上的正式术语,即DNA梯形中的一个梯级),这样新的生物体很快就有了自己的DNA,这些新的(通常是不受欢迎的)添加在染色体上。基因型没有改变,但是携带新的、类似吸盘的甲基分子的基因将生物体的工作改变为新的东西,例如生产(或缺乏)对我们健康有益的化学物质,或如何产生身体的某一部分。因此,表观遗传修饰亲本的幼体在表型上与亲本可根本不同。Phenotype是基因型的物理表现,例如头发和眼睛的颜色或身体尺寸在人类或智商和大脑功能。有时这些变化允许年轻的生物体处理对父母无法忍受的环境。有时这些变化会迅速产生新的物种。但有时后果可能是致命的,这些变化可以传给下一代。换句话说,一个小孩可能会因为祖父的罪过而受苦。


T对于遗传学的相对重要性,它的可遗传性的程度,甚至与经典的,建立的观点,随机突变是进化变化的主要燃料,以及由此产生的记录,即生命的历史,仍然存在着很大的争议。许多论述来自于持续的信念,即所谓的“重编程”使甲基分子附加到DNA的表观遗传增加是一个非因素,因为它们在受精过程中被清除。长期以来一直是“真相”的是表观基因组(补充修饰的基因的表达和功能的化学物质,如在生物体的生命中由于某些环境变化而能够发光到特定基因上的甲基分子)被重新编程(所有的表观遗传学痕迹被去除)两次:一次是在配子本身的形成过程中(未受精的卵,或是等待受精卵的精子),其次是受孕。擦除和擦除。但是现在实验明确地表明,在生物体的生命期间添加的一些化学物质确实留下了这样的信息,即它们的基因以与父母相同的方式快速地被修改。新出生的长DNA分子(甚至还未出生)的相同部位获得相同的表观遗传附加物,即父母中的一个或两个。这是不应该发生的。革命就是实现它。这发生在鹦鹉螺身上。它发生在你和我身上。


彼得沃德是华盛顿大学生物学和地球空间科学教授。他是作者的作者寻找鹦鹉螺被洪水淹没的地球:我们的未来在一个没有冰盖的世界里。他深受家人、学生和狗的喜爱。

来自于拉马克的复仇彼得沃德。版权所有2018彼得沃德。许可使用布卢姆斯伯里出版公司。


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