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杨鸿智-后现代理论医学博客

《后现代医学》、《正反馈医学》、《自体原位器官重构技术》

 
 
 

日志

 
 
关于我

这是一个宣传后现代理论医学的博客.后现代理论医学是以系统理论为指导的新医学.该理论认为,在生命组织中干细胞是决定机体功能状态最基本的因素.通过调节机体内环境和为干细胞提供再生所需要的物质和能量,就可以使干细胞在患者体内原位再生,实现器官重构,使器质性病变得到治疗.现在,已经在北京医药信息学会内成立了后现代理论医学专业委员会,杨鸿智是主任委员.

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(3)第二章 复制基因  

2013-06-10 18:28:07|  分类: 干细胞病 |  标签: |举报 |字号 订阅

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3)第二章 复制基因

 

天地伊始,一切单一纯简。即使是简单的宇宙,要说清楚它是怎样开始形成的真是谈何容易。而复杂的生命,或能够创造生命的生物如何突然出现,而且全部装备齐全,我想,无疑是一个更难解答的问题。达尔文的自然选择进化论是令人满意的,因为它说明了由单一纯简变成错综复杂的途径,说明了杂乱无章的原子如何能分类排列,形成越来越复杂的模型,直至最终创造人类。人们一直试图揭开人类生存的奥秘,而迄今为止只有达尔文提供的答案是令人信服的。我打算以比一般还要通俗的语言阐明这个伟大的理论,并从进化还未发生以前的年代谈起。

 

达尔文的“适者生存”其实是稳定者生存(survival of the stable)这个普遍法则的广义特殊情况。宇宙为稳定的物质所占据。所谓稳定的物质,是指原子的聚合体,它具有足够的稳定性或普遍性而被赋予一个名称。它可能是一个独特的原子聚合体,如马特霍恩(Matterhorn),它存在的时间之长足以值得人们为之命名。稳定的物质也可能是属于某个种类(class)的实体,如雨点,它们出现得如此频繁以致理应有一个集合名词作为名称,尽管雨点本身存在的时间是短暂的。我们周围看得见,以及我们认为需要解释的物质——岩石、银河,海洋的波涛——在大小不同的程度上都是稳定的原子模型。肥皂泡往往是球状的,因为这是薄膜充满气体时的稳定形状。在宇宙飞船上,水也是稳定成为球形的液滴状,但在地球上,由于地球引力的关系,静止的水的稳定表面是水平的。盐的结晶体一般是立方体,因为这是把钠和氯离子聚合在一起的稳定形式。在太阳里,最简单的原子即氢原子不断熔合成氦原子,因为在那样的条件下,氦的结构比较稳定。遍布宇宙各处的星球上,其他各种甚至更为复杂的原子正在形成。依照目前流行的理论,早在开天辟地发出“大砰啪”爆炸声之时,这些比较复杂的原子已开始形成。我们地球上各种元素也是来源于此。

 

有时候,在原子相遇时,由于发生化学反应而结合成分子,这些分子具有程度不同的稳定性。它们可能是很大的。一块钻石那样的结晶体可以视为一个单一的分子,其稳定程度是众所周知的,但同时又是一个十分简单的分子,因为它内部的原子结构是无穷无尽地重复的。在现在的生活有机体中,还有其他高度复杂的大分子,它们的复杂性在好几个水平上表现出来。我们血液中的血红蛋白就是典型的蛋白质分子。它是由较小的分子氨基酸的链所组成,每个分子包含几十个排列精确的原子。在血红蛋白分子里有574个氨基酸分子。它们排列成四条互相缠绕在一起的链,形成一个立体球形,其结构之错综复杂实在使人眼花镣乱。一个血红蛋白分子的模型看起来象一棵茂密的蒺藜。但和真的蒺藜又不一样,它并不是杂乱的近似模型,而是毫厘不爽的固定结构。这种结构在一般人体内同样地重复六万亿亿次以上,其模型完全一致。如血红蛋白这样的蛋白分子,其酷似蒺藜的形态是稳定的,就是说,它的两条由序列相同的氨基酸构成的链,象两条弹簧一样倾向于形成完全相同的立体盘绕模型。在人体内,血红蛋白蒺藜以每秒约四百万亿个的速度形成它们“喜爱”的形状,而同时另外一些血红蛋白以同样的速度被破坏。

 

血红蛋白是个现代分子,人们通常用它来说明原子趋向于形成某种稳定模型的原理。我们在这里要谈的是,远在地球还没有生命之前,通过一般的物理或化学过程,分子的某种形式的初步进化现象可能就已存在。没有必要考虑诸如预见性、目的性、方向性等问题。如果一组原子在受到能量的影响而形成某种稳定的模型,它们往往倾向于保持这种模型。自然选择的最初形式不过是选择稳定的形式并抛弃不稳定的形式罢了。这里面并没有什么难以理解的地方。事物的发展只能是这样。

 

可是,我们自然不能因此认为,这些原理本身就足以解释一些结构复杂的实体,如人类的存在。取一定数量的原子放在一起,在某种外界能量的影响下,不停地摇动,有朝一日它们会碰巧落入正确的模型,于是亚当就会降临!这是绝对办不到的。你可以用这个方法把几十个原子变成一个分子,但一个人有多达一千亿亿亿个原子。如果要制造一个人,你就得摇动你那个生物化学的鸡尾酒混合器,摇动的时间之久,就连宇宙存在的漫长岁月与之相比好象只是一眨眼的功夫。即使到了那个时候,你也不会如愿以偿。在这里,我们必须求助于达尔文学说的高度概括的理论。有关分子形成的缓慢过程的故事只能讲到这儿,其他的该由达尔文的学说去解释了。

 

有关生命的起源,我的叙述只能是纯理论的。事实上当时并无人在场。在这方面存在很多持对立观点的学说,但它们也有某些共同的特点。我的概括性的叙述大概与事实不会相去太远。

 

生命出现之前,地球上有哪些大量的化学原料,我们不得而知。但很可能有水、二氧化碳、甲烷和氨:它们都是简单的复合物。就我们所知,它们至少存在于我们太阳系的其他一些行星上。一些化学家曾经试图模仿地球在远古时代所具有的化学条件。他们把这些简单的物质放人一个烧瓶中,并提供如紫外线或电火花之类的能源——原始时代闪电现象的模拟。几个星期之后,在瓶内通常可以找到一些有趣的东西:一种稀薄的褐色溶液,里面含有大量的分子,其结构比原来放入瓶内的分子来得复杂。特别是在里面找到了氨基酸——用以制造蛋白质的构件(building block),蛋白质乃是两大类生物分子中的一类。在进行这种试验之前,人们原来认为天然的氨基酸是确定生命是否存在的依据。如果说在火星上发现氨基酸,那么火星上存在生命似乎是可以肯定无疑的了。但在今天,氨基酸的存在可能只是意味着在大气层中存在一些简单的气体,还有一些火山,阳光和发生雷鸣的天气。近年来,在实验室里模拟生命存在之前的地球的化学条件,结果获得了被称为嘌呤和嘧啶的有机物质。它们是组成遗传分子脱氧核糖核酸的构件,即DNA

 

“原始汤”的形成想来必然是与此类似过程的结果。生物学家和化学家认为“原始汤”就是大约三十亿到四十亿年前的海洋。有机物质在某些地方积聚起来,也许在岸边逐渐干燥起来的浮垢上,或者在悬浮的微小的水珠中。在受到如太阳的紫外线之类的能量的进一步影响后,它们结合成大一些的分子。现今,大有机分子存在的时间不会太长,我们甚至觉察不到它们的存在,它们会很快地被细菌或其他生物所吞噬或破坏。但细菌以及我们人类都是后来者。所以在那些日子里,大有机分子可以在稠浓的汤中平安无事地自由漂浮。

 

到了某一个时刻,一个非凡的分子偶然形成。我们称之为复制基因(replicator)。它并不见得是那些分子当中最大的或最复杂的。但它具有一种特殊的性质——能够复制自己的拷贝。看起来这种偶然性非常之小。的确是这样。发生这种偶然情况的可能性是微乎其微的。在一个人的一生中,实际上可以把这种千年难得一遇的情况视为不可能。这就是为什么你买的足球彩票永远不会中头奖的道理。但是我们人类在估计什么是可能或不可能发生的时候,我们不习惯于将其放在几亿年这样长久的时间内去考虑。如果你在一亿年中每星期都购买一次彩票,说不定你会中上几次头奖呢。

 

事实上,一个能复制自己拷贝的分子并不象我们原来所想象那样难得,这种情况只要发生一次就够了。我们可以把复制基因当作模型或样板。我们可以把它想象为由一条复杂的链所构成的大分子,链本身是由各种类型的起构件作用的分子所组成。在复制基因周围的汤里,这种小小的构件多的是。现在让我们假定每一块构件都具有吸引其同类的亲和力。来自汤里的这种构件一接触到它对之有亲和力的复制基因的另一部分,它往往就附着在那儿不动。按照这个方式附着在一起的构件会自动地仿照复制基因本身的序列排列起来。这时我们就不难设想,这些构件逐个地连接起来,形成一条稳定的链和原来复制基因的形成过程一模一样。这个一层一层地逐步堆叠起来的过程可以继续下去。结晶体就是这样形成的。另一方面,两条链也有一分为二的可能,这样就产生两个复制基因,而每个复制基因还能继续复制自己的拷贝。

 

一个更为复杂的可能性是,每块构件对其同类并无亲和力,而对其他的某一类构件却有互相吸引的亲和力。如果情况是这样,复制基因作为样板的作用并不产生全似的拷贝,而是某种”反象”,这种“反象”转过来再产生和原来的正象全似的拷贝,对我们来说,不管原来复制的过程是从正到反或从正到正都无足轻重;但有必要指出,现代的第一个复制基因即DNA分子,它所使用的是从正到反的复制过程。值得注意的是,突然间,一种新的“稳定性”产生了。在以前,汤里很可能并不存在非常大量的某种特殊类型的复杂分子,因为每一个分子都要依赖于那些碰巧产生特别稳定结构的构件。第一个复制基因一旦诞生了,它必然会迅速地在海洋里到处扩散它的拷贝,直至较小的构件分子日渐稀少,而其他较大的分子也越来越难得有机会形成。

 

这样我们到达了一个具有全都一样的复制品的大种群的阶段。现在,我们必须指出,任何复制过程都具有一个重要的特性:它不可能是完美无缺的。它准会发生差错。我倒希望这本书里没有印刷错误,可是如果你细看一下,你可能会发现一两个差错。这些差错也许不至于严重地歪曲书中句子的含义,因为它们只不过是”第一代”的错误。但我们可以想象一下,在印刷术尚未问世之前,那时候如福音之类的各种书籍都是手抄的。以抄写书籍为业的人无论怎样小心谨慎,他们不可避免地要发生一些差错,何况有些抄写员还会心血来潮,有意“改进”一下原文。如果所有的抄写员都以同一本原著为蓝本,那么原意还不至于受到太大的歪曲。可是,如果手抄本所依据的也是手抄本,而后者也是抄自其他手抄本的话,那么谬种就开始流传、积累,其性质也更趋严重。我们往往认为抄写错误是桩坏事情,而且我们也难以想象,在人们抄写的文件中能有什么样的错误可以认为是胜于原文的。当犹太圣典的编纂人把希伯来文的“年轻妇女”误译成希腊文的“处女”时,我想我们至少可以说他们的误译发生了意想不到的后果。因为圣典中的预言变成“看哪!一个处女将要受孕并且要养一个儿子……”。不管怎样,我们将要看到,生物学的复制基因在其复制过程中所造成的错误确实能产生改良的效果的。对生命进化的进程来说,产生一些差错是必不可少的。原始的复制基因在复制拷贝时其精确程度如何,我们不得而知。今天,它们的后代DNA分子和人类所拥有的最精密的复印术相比却是准确得惊人。然而,差错最终使进化成为可能。原始的复制基因大概产生过多得多的差错。不管怎样,它们出过差错是肯定无疑的,而且这些差错是积累性的。

 

随着复制错误的产生和扩散,原始汤中充满了由好几个品种的复制分子组成的种群,而不是清一色的全都一样的复制品,但都是同一个祖先的“后裔”。它们当中会不会有些品种比其他品种拥有更多的成员?几乎可以肯定他说:是的。某些品种由于内在的因素会比其他品种来得稳定。某些分子一旦形成后就安于现状,不象其他分子那样易于分裂。在汤里,这种类型的分子将会相对地多起来,这不仅仅是“长寿”的直接逻辑后果,而且是因为它们有充裕的时间去复制自己的拷贝。因此,长寿的复制基因往往会兴旺起来。假定其他条件不变的话,那就会在分子的种群中出现一个朝着寿命变得更长的“进化趋向”。

 

但其他的条件可能是不相等的。对某一品种的复制基因来说,它具有另外一个甚至更为重要的、为了在种群中传布的特性。这就是复制的速度或“生育力”。如果A型复制分子复制拷贝的平均速度是每星期一次,而B型复制分子则是每小时一次。显而易见,不需多久,A型分子就要大为相形见拙。即使A型分子的“寿命”再长也无济于事。因此,汤里面的分子很可能出现一个朝着“生育力”变得更强的“进化趋向”。复制基因分子肯定会选择的第三个特性是复制的准确性。假定X 型分子与Y型分子的寿命同样长,复制的速度也一样快,但X型分子平均在每十次复制过程中犯一次错误,而Y型只在每一百次复制过程中犯一次错误,那未Y型分子肯定要变得多起来。种群中X型分子这支队伍不但要失去它们因错误而养育出来的“子孙”,而且还要失去它们所有现存或未来的后代。

 

如果你对进化论已有所了解的话,你可能会认为上面谈到的最后一点似有佯谬之嫌。我们既说复制错误是发生进化的必不可少的先决条件,但又说自然选择有利于高精确度的复制过程。如何能把这两种说法调和起来?我们认为,总的说来,进化在某种含糊的意义上似乎是件“好事”,尤其是因为人类是进化的产物,而事实上没有什么东西“想要”进化。进化是偶然发生的,不管你愿意不愿意,尽管复制基因(以及当今的基因)不遗余力地防止这种情况的发生。莫诺(Jacques Monod)在他纪念斯宾塞(Herbert Spencer)的演讲中出色地阐明了这一点。他以幽默的口吻说,“进化论的另一个难以理解的方面是,每一个人都认为他理解进化论!”

 

让我们再回到原始汤这个问题上来,现在汤里已存在一些分子的稳定品种。所谓稳定的意思是,那些分子或是本身存在的时间较长,或是它们能迅速地复制,或是它们能精确无误地复制。朝着这三种稳定性发展的进化趋向是在下面这个意义上发生的:如果你在两个不同的时间分别从汤中取样,后一次的样品一定含有更大比例的寿命长或生育力强或复制精确性高的品种。生物学家谈到生物的进化时,他所谓的进化实质上就是这个意思,而进化的机制是一样的——自然选择。

 

那么,我们是否应该把原始的复制基因分子称为“有生命的”呢?那是无关紧要的。我可以告诉你,“达尔文是世界上最伟大的人物”,而你可能会说,“不,牛顿才是最伟大的嘛”。我希望我们不要再争论下去了,应该看到,不管我们的争论结果如何,实质上的结论是不受影响的。我们把牛顿或达尔文称为伟大的人物也好,不把他们称为伟大的人物也好,他们两人的生平事迹和成就是客观存在的,不会发生任何变化。同样,复制基因分子的情况很可能就象我所讲的那样,不论我们是否要称之为“有生命的”。我们当中有大多的人不理解字眼仅仅是供我们使用的工具,字典里面的“有生命的”这个词并不一定指世上某一样具体的东西。不管我们是否把原始的复制基因称为有生命的或无生命的,它们的确是生命的祖先;它们是我们的缔造者。

 

论点的第二个重要环节是竞争。达尔文本人也强调过它的重要性,尽管他那时讲的是动物和植物,不是分子。原始汤是不足以维持无限量的复制基因分子的。其中一个原因是地球的面积有限,但其他一些限制性因素也是非常重要的。在我们想象当中,那个起着样板或模型作用的复制基因浮游于原始汤之中,周围存在大量复制拷贝所必需的小构件分子。但当复制基因变得越来越多时,构件因消耗量亦随着大增而供不应求,成为珍贵的资源。不同品种或品系的复制基因必然为了争夺它们而互相搏斗。我们已经研究过什么因素促进那些条件优越的复制基因的繁殖。我们现在可以看到,条件差一些的品种事实上由于竞争的结果而变得日渐稀少,最后它们中间一些品系难逃绝种的命运。复制基因的各种品种之间发生过你死我活的搏斗。它们不知道它们在进行生存斗争,也不会因之而感到烦恼。复制基因在进行这种斗争时不动任何感情,更不用说会引起哪一方的恶感了。但在某种意义上说,它们的确是在进行生死存亡的斗争,因为任何导致产生更高一级稳定性的复制错误,或以新方法削弱对手的稳定性的复制错误,都会自动地得以延续下来并成倍地增长。改良的过程是积累性的。加强自身的稳定性或削弱对手的稳定性的方法变得更巧妙,更富有成效。一些复制基因甚至“发现”了一些方法,通过化学途径分裂对方品种的分子,并利用分裂出来的构件来复制自己的拷贝。这些原始肉食动物在消灭竞争的对手的时候同时摄取食物。其他的复制基因也许发现了如何用化学方法,或把自己裹在一层蛋白质之中来保卫自己。这也许就是第一批生命细胞的成长过程。复制基因的出现不仅仅是为了生存,而且是为它们自己制造容器,即赖以生存的运载工具。能够生存下来的复制基因都是那些为自己构造了生存机器以安居其中的复制基因。最原始的生存机器也许仅仅是一层保护衣。后来,新竞争对手陆续出现,它们拥有更优良、更有效的生存机器,因此生存斗争随之逐渐激化。生存机器的体积越来越大,其结构也渐臻复杂。这是一个积累和渐进的过程。

 

随着时间的推移,复制基因为了保证自己在世界上得以存在下去而采用的技巧和计谋也逐渐改进,但这种改进有没有止境呢?用以改良的时间是无穷无尽的。一千年的变化会产生什么样的怪诞的自我保存机器呢?经过四十亿年,古代的复制基因又会有什么样的命运呢?它们没有消失,因为它们是掌握生存艺术的老手。但在今日,别以为它们还会浮游于海洋之中了。很久以前,它们已经放弃了这种自由自在的生活方式了。在今天,它们群集相处,安稳地寄居在庞大的步履蹒跚的“机器”人体内,与外界隔开来,通过迂回曲折的间接途径与外部世界联系,并通过遥控操纵外部世界。它们存在于你和我的躯体内;它们创造了我们,创造了我们的肉体和心灵;而保存它们正是我们存在的终极理由。这些复制基因源远流长。今天,我们称它们为基因,而我们就是它们的生存机器。

 

 

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