演化律：通过突变和重组迭代更新

欢迎来到《基因科学课》。你好，我是仇子龙。

俗话说，龙生龙，凤生凤，老鼠生儿会打洞。这句俗语朴素地告诉了我们遗传学最重要的原理：基因会遗传，上一代是啥样，下一代也就应该是啥样。

但是从生命诞生的40亿年前到现在，不知道有过多少物种。

如果基因一直是上一代原封不动地传给下一代，怎么会有这大千世界这么多物种呢？

这背后的道理很简单，基因会演化。

“演化”这个词听着很学究，用时髦的话讲，叫迭代更新。

现在流行一种迭代方法叫，“小步快跑，试错迭代”。这还真不是某大公司的发明创造，40亿年前诞生的基因就一直在用试错来更新自己。

基因怎么试错呢？你可能听说过“基因突变”这个词，这就是基因演变的一种试错，但并不是唯一一种。

这一讲，我就来跟你聊聊基因的演化律。告诉你，基因是怎么迭代更新的。

1.基因突变

既然DNA是遗传物质，那么它的核心任务就是要从上一代传递到下一代。

在这个过程中，DNA需要拷贝自己，从一份变成两份。

从30亿个ATGC字符，拷贝出另外30亿个ATGC字符，还得一模一样。

你可以想象，生物又不是机器，抄个书还有走神抄错的时候。DNA那么长，拷贝的时候保不齐会出个错吧？

没错，DNA复制的时候当然有可能出错，比如G被抄成了C，A被抄成了T。

为了少出错，DNA复制的时候，会有一大群蛋白质检查错误，一旦发现抄错了，赶紧纠正过来。

但是，百密总有一疏，一些没有被纠正的小错误就会传给下一代。如果这个错误不小心发生在基因上，改变了蛋白质的性质，这就是我们说的基因突变。

这个突变的意思，顾名思义，就是预料不到的改变。

DNA复制发生突变其实非常罕见，几率只有十亿分之一，意思是，每复制十亿个字符，才会抄错一个，所以又被叫做点突变。

顺便说一句，复制的过程会发生突变是DNA本身的特点，不管是最简单的微生物还是最复杂的人类，都一样。

基因突变后会怎么样呢？举一个大家熟悉的例子，那就是癌症。

一个调控细胞生长的基因如果发生了点突变，它编码的蛋白质就可能被改变功能，导致细胞失去正常的生长控制，发生癌症。

许多癌症产生，就是因为关键的基因发生了突变。不过，基因突变也不都是邪恶的。

在生物学里，我们把DNA复制过程中的错误叫做“variant”，中文的意思就是差异。

因为基因突变在一个场景下导致的生存劣势，在另外一个场景下，可能就是优势。

比如说，生产血红蛋白的基因上出现的点突变，导致了镰刀型细胞贫血症，但是这个点突变可以抵抗疟疾，让优劣势反转。

王立铭老师的《生命科学50讲》里详细讲述了镰刀型细胞贫血症的例子，如果你感兴趣，可以听听。

左边为健康状态，右边为镰刀型细胞贫血症

基因突变甚至会带来很多意外的惊喜。

比如，人类语言的产生，很可能就是因为一个叫FOXP2的基因发生了点突变。

所以，基因突变能推动基因的演化，产生不同功能的蛋白质，形成各种各样的物种。

不过，如果你仔细算算会发现，不对啊。物种之间的基因差异，少说有几十万个DNA字符，多则几百万、上千万个。

确实，如果只靠着十亿分之一的突变几率，来产生百万或千万级的DNA字符差异，加上动物平均寿命、繁衍周期等等因素，别说生命诞生的40亿年了，地球存在的150亿年都不够啊。

这是怎么回事？难道达尔文进化论错了？

难道我们是上帝一挥手创造出来的？

2.基因串珠

看来，光靠小步快跑来试错迭代，远远不够。基因的迭代肯定还有其他方法。

科学家们一直有这个困惑，直到1977年，一个奇怪的现象被发现了。

我们之前讲过，基因产生蛋白质时，DNA上的信息会首先变成信使RNA，然后信使RNA跑出细胞核，到细胞质里合成蛋白质。

但是在1977年，科学家们发现了信使RNA上的碱基序列，常常比DNA上的少那么一些。照理说，信使RNA上面的ATGC序列和DNA的序列应该是一一对应的。

这是怎么回事呢？

原来，基因在DNA上不是作为一个整体存在的，而是被打断的。

你可以这么想，DNA上的一个基因就像是一串黑色与白色珍珠串成的珍珠项链。其中，只有白色珍珠是用来编码蛋白质的，黑色珍珠里不含有蛋白质信息。

当基因的信息被一比一地从DNA里拷贝成信使RNA时，黑珍珠和白珍珠的信息都会被拷贝到信使RNA上。

但是，当信使RNA生产蛋白质时，因为黑珍珠里面并没有蛋白质的信息，所以就得把这串项链里的黑珍珠剪掉，把剩下的白珍珠串起来，去合成蛋白质。

这就像我们在电影院里看到的电影，时长是两小时，却只是从长长的拍摄原片里剪出来的一小部分。从基因到蛋白质的过程中，也经历了大量的剪辑。

断裂的基因示意图

虽然科学家在1977年报道了这种基因断裂分布的特点，但是没人知道，基因为什么要这样分布。

这样形成信使RNA的时候，会产生很多没用的部分，还得经过大力气去剪辑，才能产生蛋白质，岂不是很浪费吗？

1978年，一位科学大咖提出了一个大胆的猜想，并给编码蛋白质的白珍珠起名“外显子”，不编码蛋白质的黑珍珠起名“内含子”。

他认为，虽然这种方式看上去很浪费，但是这一个个外显子，说不定在漫长的进化中就能自由组合，演化出新的基因。这样，基因不就能自己迭代更新了吗？

不得不说，这位科学家确实很聪明，猜到了三十年后才看到的事。

这位科学家的名字叫吉尔伯特，是哈佛大学的教授。他因为参与建立了DNA测序技术，与其他几位科学家一起，在1980年获得了诺贝尔化学奖。

在后面的课程里，我还会提到他在生物技术浪潮中，并不是很成功的创业故事。

3.基因重组——迭代的秘密

回到我们的主题。

30年后，发生了什么？人类基因组计划完成了。

所谓人类基因组计划，就是把我们的30亿个DNA的ATGC信息统统搞明白了。

当科学家把成千上万的基因放到一起分析，很快发现了吉尔伯特猜想的合理性。

他们发现，基因有几个很好玩的特点。

基因的外显子，也就是白珍珠，通常不是一个基因特有的，而是在许多基因里都找得到。

有很多基因长得很像，差别只是谁多了几个白珍珠，谁少了几个白珍珠，就像人类的兄弟姐妹一样。

这说明，外显子在不同的基因里，很可能是可以跑来跑去的。对于一个基因来说，它有可能获得别人的外显子，也有可能把自己的外显子送给别人。

这就像玩扑克一样，把外显子当成扑克牌，时不时地洗一把牌。

外显子的洗牌，就是基因的第二个迭代更新方法，生物学把它叫做基因重组。

那些经过了重组，获得或者失去了一部分外显子的基因，叫做新基因。

基因重组一般在什么时候发生呢？它发生最频繁的场景是在生殖细胞，也就是在精子和卵子里。通过精子和卵子，基因的重组就能传递给下一代。

这里我需要强调一下，科学家在几十年前，就发现了生殖细胞里的DNA重组。

不过这个DNA重组，跟我刚刚讲的基因重组有个根本区别。

早年发现的，是大段的DNA重组。这个过程中，基因是一个整体，重组并不会改变基因本身。而最近发现的这种，以外显子为单元的基因重组，能真正地让基因迭代更新，产生新基因。

4.外显子洗牌产生新基因

发现了基因重组可以产生新基因，科学家们就能解释为什么仅仅40亿年，生命就能演变出几百万个物种，甚至演化出智慧的人类了。

跟基因突变相比，基因重组有两大特点，可以加速生命演化的进程。

第一，对蛋白质功能的改变规模更大。

基因突变只能变一个字符。当然，有的基因位点很重要，但是大概率不会撞到那么重要的点，绝大部分的基因突变，都不会一下子让编码蛋白质的功能发生很大的改变。

而外显子重组，就不一样了。

外显子对应的是蛋白质的独立功能单元，所以通过洗牌产生的新基因，能一下子获得与老基因不一样的新功能。

举个科学家已经发现的例子。

我们每一个人体内，都有无数的抗体，这些抗体，就是我们免疫系统里，B淋巴细胞经过基因重组后产生的。

这个重组就是运用了外显子的随机洗牌原理，随机产生了数量庞大，而且结构不同的抗体基因，来应对未知自然界里的病原体。

第二，基因重组的环境更自由。

你可以猜到，不管是突变还是重组，都很需要运气，需要大量地试错。

基因突变就像是工人干活的时候，不小心打了个盹，发生了一个小错误。机体不允许DNA复制出现太多突变，所以会有各种品质监控团队严防死守，仔细纠错。

但是基因重组不一样。可以说，到目前为止我们还没有发现任何监管团队，基因几乎可以随便重组。

如果你担心，没有规矩不成方圆，万一基因重组太过分了怎么办？

别担心，基因重组时时刻刻都在面临大自然的考验。经过漫长的演化过程，只有对生物体生存繁衍更有利的基因重组才会被保留下来。

总结

这一讲，我们讲了基因的第三大定律——演化律。

1. 我们知道了基因的迭代更新，有突变和重组两个方式。
2. 基因突变是指DNA复制时发生的错误。虽然它有可能导致癌症，但也正是因为突变，才能增强演化优势。
3. 基因重组是通过外显子洗牌而发生，能够产生新基因。这种方式可以快速获得新功能，加快了基因演化的进程。

思考题

知道了基因演化的原理，你觉得我们人类的基因还在继续演化么？如果基因演化还在进行，那人类的基因会往什么方向演化？

欢迎你在课后留言，分享给我。

到现在为止，我们已经讲了基因的三大定律：决定律、工作律，和演化律。

下一讲，我们会开启一个新章节，把视角切换到人身上。看看基因怎么演化出人类，基因又是怎么决定人的行为的。

我们下一讲见。