女科学家新说进化论——《生物共生的行星》

作者:尹传红来源:中国科学报发布时间:2015-10-16

世界知名的女科学家比较稀罕,马古利斯和她的《生物共生的行星》,应该让更多的人认识和了解。

  说起世界著名的女科学家,人们多半首先会想到居里夫人。接下来或许可以有:珍·古道尔、蕾切尔·卡逊、吴健雄、芭芭拉·麦克林托克、多萝西·霍奇金等,当然还有2015年因获得诺贝尔奖而为国人熟知的屠呦呦。

  不过有一位女科学家也应该被大家了解,她就是美国知名生物学家林恩·马古利斯(Lynn Margulis)。马古利斯生于1938年,她14岁进入芝加哥大学学习,1960年从威斯康星大学获得遗传学与动物学硕士学位,1965年从加州大学伯克利分校获得遗传学博士学位。她最为学界所知的是对“内共生学说”的贡献。1983年她当选为美国国家科学院院士,1999年被授予美国国家科学奖章。 

林恩·马古利斯(网络图)

林恩·马古利斯(网络图)

 

  马古利斯在1998年出版《生物共生的行星——进化的新景观》,一本离经叛道色彩甚为浓厚的著作。然而,作者心气颇高,她期望她这本关于行星生命和行星进化的书,能够教会读者用一种全新的关于生命的观点,去看待她倾注了一生心血的连续内共生理论(Serial Endosymbiosis Theory,简称SET)和盖亚假说。而SET和盖亚假说,以及这两者之间的联系所形成的核心理论,正是她一生研究的重要课题。 

  按照马古利斯的讲述,还在念研究生时,她就觉得“(细胞)核内基因决定动植物所有特征的想法有些过分,有点太肯定、太简约了。随机的基因突变,怎么能够进化出花朵和眼睛来?”她还意识到,强调遗传学和化学的联系已经给科学家带来了一个不必要的狭窄视野,致使他们过分注重细胞核,而无视业已出现的一些新发现和新见解——这也正是马古利斯跳出这一怪圈的起点,尽管它开始于非主流领域。

  时至1963年,已有许多研究论文提到卵子的细胞质因子显示了神秘的、位于细胞核之外的基因。还有一些研究者描述的实验说明:身处细胞被膜内但位于细胞核外的质粒和线粒体这两种细胞器,对遗传也有着显著的影响。正如胚胎学家和植物学家不断指出的那样,在植物和动物的卵细胞中,细胞质基因或细胞质因子并不在细胞核内,但仍然还要参与控制后代的性状。细胞核外面的因子被发现对有氧呼吸(线粒体)和叶子的颜色(叶绿体)有重大意义。换句话说,基因不一定都在细胞核内,植物和动物的某些细胞遗传因子是分散的。 

《生物共生的行星》中文版封面(网络图)

《生物共生的行星》中文版封面(网络图)

 

  沿着上述思路进一步研究,马古利斯渐渐明确了一个观点:在细胞里面有着双重遗传系统;被主流生物学界视为“另类”的几位前辈研究者的一个假说——非细胞核部分与它们的特殊遗传,实则为过去独立生活的细菌的残迹——是正确的。在他们看来,不同的生命形式为了共同的利益而彼此合作,机体进行接触并长期生活在一起,在某些情况下将会导致“共生发源”:出现新细胞、新组织;而通过共生发生的合并,则形成了新的器官和物种。马古利斯证明,这是进化中的一个最根本的事实。她相信,大多数过去,乃至现在,在进化过程中出现的新事物是直接起源于共生的。

  这对人们所认定的进化的主要机制——基因的随机突变,无疑是一个不小的挑战。在《生物共生的行星》一书中,马古利斯用富有诗意的语言作了如下描述:“关于共生在进化中重要性的发现,迫使我们去修正将早期核中心论的进化视为类似动物之间的血腥斗争的观点。自然界的现实可能是‘染红的爪牙’,但对个体的偶然漠视,并不能排除共生开始于不同生命形态之间的艰难联合这一事实,这可能是重大的进化创新性起源的主要背景。……细胞互相在对方体内生活,是一种比人类的有性生殖更加深刻的互相渗透和同化,它创造了从红花绿叶春色满园、温热湿润的动物躯体,直到地球的全球性联系的万事万物。” 

  就人们所理解的传统观念而言,任何生物的历史都常常用一棵家系树来描绘。家系树通常从地面向上生长:从一支主干上分支出许多不同的世系,每一支世系都来自一个共同的祖先。但是共生学说指出,这样的生命树是对过去之历史一种理想化了的描述。实际上,生命树通常按照它自己的方式生长。物种走到一起,融合,形成新的生物,这新生物又要重新开始。生物学家把合并到一起的分支——不论是血管、树根还是菌丝——统称为“并接”(Anastomosis)。并接是枝桠形成“网”。生命之树就是一个弯曲扭缠、活生生的实体,它地下的根连着空中的枝桠,生出了奇特的新果实和杂交品种。

森林中较为常见的蘑菇是与邻近树木的根部相连的,它们共生在一起(网络图)

森林中较为常见的蘑菇是与邻近树木的根部相连的,它们共生在一起(网络图)

 

  马古利斯指出,并接虽然很少出现,但也同分支一样重要。共生像性一样,使先行进化出来的生物走到一起,形成新的伙伴关系;也同性一样,某些共生是一种长期联合且具有稳定、可遗传的特性;还有一些则在短时间内解除共生关系。每一代遗传学上连续的生物之间的互相作用,都对任何教科书上的生命树提出质疑。 

  1967年,在经历了15次退稿和一次原稿丢失之后,马古利斯关于SET最早也最完整的陈述,终于以《有丝分裂的起源》为题,发表在《理论生物学杂志》上。随后,她又将这篇论文扩充成一本书《真核细胞的起源》。此书出版后在生物学界引发了巨大的震撼。马古利斯与她的学说遭到了普遍的嘲笑和奚落。

  有一次,她给一位同行寄去手稿请求评论,此人的回应竟然是:“滚出我的领域去!” 有一位植物学教授多年以后回忆说:“当我还是个本科生的时候,有两个理论经常被拿出来做反例,以显示科学上的假说可以牵强到何种地步——一个是大陆漂移学说,还一个就是内共生学说。” 

  然而,“激进”的共生发源学家马古利斯始终坚持这个“不受欢迎”的想法,并不断地“在生物学那些布满灰尘的角落里去搜集证据”。她深信,在那个看似离谱的假说的脚本中,古老的合并者的遗迹,是能够在一切有核细胞的现代行为和化学反应中检测到的。

多利昂 · 萨根所绘,用手来比喻共生的图形。图中5个手指各代表一大类生物。除细菌之外,这生命之手的每一个手指都有多个共生的细菌祖先(网络图)

多利昂 · 萨根所绘,用手来比喻共生的图形。图中5个手指各代表一大类生物。除细菌之外,这生命之手的每一个手指都有多个共生的细菌祖先(网络图)

 

  好在SET只沉寂了十多年就被主流生物学界部分地接受了,这主要是因为,分子生物学家对线粒体、叶绿体基因和细菌基因作了比对,发现二者有很高的同源性,但这也足以说明问题了。1983年,马古利斯入选美国国家科学院院士,并成为俄罗斯自然科学院三位美国成员中的一员。1998年,即在获颁美国国家科学奖章的前一年,马古利斯在《生物共生的行星》一书中写道:“今天我惊讶地看到,一个简明的SET版本作为已经证实的真理,被编入了高中和大学的教科书。”《自私的基因》一书作者、英国著名生物学家理查德 • 道金斯则称赞她“有超然的勇气和毅力来坚持自己的内共生起源假说,并最终实现了其从异端到正统的转变”。

  上世纪70年代,在SET初获承认之后,马古利斯对相关问题做了更深入的思考:也许内共生这个学说的适用范围应该扩大,它并不限于原始的细菌和真核细胞,而是更广泛地存在于各种生命之间。较大的生物及其新器官和器官系统,可能也都是通过共生发源进化而来的。换言之,也许共生才是进化的根本动力,个体间的生存竞争是次要的。

  上述想法与盖亚假说的首创者詹姆斯 • 洛夫洛克的观点十分契合。洛夫洛克认为,地球大气中的气体成分、地表的岩石和水的情况受生物生长、死亡、新陈代谢和其他活动有规律地调节。1975 年,马古利斯与洛夫洛克联名发表论文,正式确立了盖亚假说的纲领:地球上的全部生命和一大部分非生命物质形成了一个复杂的整体,维持着一定的环境条件,使得生命可以在其中生存。简单地说,就是把地球生物圈(生命存在的地方)看作是一个单一的、自我调节的实体:地球是活的。马古利斯的一个学生格雷格·欣克尔俏皮地形容道:“盖亚假说正是从太空看到的生物共生现象!”

  原题《反正统的观念   不流俗的女杰》,蝌蚪君转载时做了删节)

 

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