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垃圾基因的發(fā)現(xiàn)

上世紀(jì)科學(xué)史上最重大的一件事就是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的破譯。從此，我們知道了基因以及它的作用。但自那以后，我們對(duì)DNA和基因的了解一直還在不斷深化。

當(dāng)科學(xué)家首次弄清楚DNA上的堿基是如何指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的時(shí)候，他們以為，所有DNA上的堿基都是為了編碼制造蛋白質(zhì)而存在的。然而，到了20世紀(jì)70年代，有一點(diǎn)變得越來(lái)越清楚了，即基因組中僅有一小部分DNA序列參與了編碼蛋白質(zhì)，其余則都是垃圾基因。它們不參與蛋白質(zhì)的合成，在生命活動(dòng)中沒(méi)有顯示出任何生理功能。

例如，科學(xué)家第一次對(duì)人類(lèi)基因組進(jìn)行測(cè)序時(shí)驚訝地發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)達(dá)30億對(duì)堿基的人類(lèi)基因組中，傳統(tǒng)意義上的基因（即編碼蛋白質(zhì)的DNA片段）居然如此稀少。最開(kāi)始他們預(yù)測(cè)，至少應(yīng)該存在10萬(wàn)或更多的基因，可是最后才找到了大約3.5萬(wàn)個(gè)，而且最終得到確認(rèn)的只有2.1萬(wàn)個(gè)左右。剩余的大量DNA全都是沒(méi)有用的“垃圾”。

是真“垃圾”還是假“垃圾”？

但盡管這樣，很多生物學(xué)家依然認(rèn)為，這些垃圾基因可能有某些次要的功能，比如調(diào)節(jié)其他有用基因的活性等。為了確證這一點(diǎn)，2003年，美國(guó)啟動(dòng)了ENCODE計(jì)劃（該項(xiàng)目至今還在進(jìn)行中）。至2012年，ENCODE計(jì)劃一共對(duì)人類(lèi)基因組中3%的DNA序列進(jìn)行了分析和研究。得出的結(jié)論是：在調(diào)查過(guò)的DNA序列中，大約有80%至少?gòu)纳锘瘜W(xué)的角度來(lái)看是據(jù)有某些功能的。這項(xiàng)成果被評(píng)為2012年全球科技十大新聞之一。

如此一來(lái)，垃圾基因的比例就大大縮小了?？墒?，一些生物學(xué)家對(duì)ENCODE的結(jié)論并不服氣。美國(guó)休士頓大學(xué)的丹·格厄爾就是其中之一。

他和ENCODE的根本分歧在于如何定義“基因是具有功能的”。在ENCODE計(jì)劃中，只要觀察到某段DNA序列在生物化學(xué)上表現(xiàn)出輕微的活性，就判定它是具有功能的。但在格厄爾看來(lái)，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。相反，他認(rèn)為，只有當(dāng)一段DNA序列是為了某個(gè)實(shí)實(shí)在在的生理用途進(jìn)化來(lái)的，一旦被突變破壞，就會(huì)產(chǎn)生有害的影響，只有這樣的DNA序列，才能被定義為具有功能的。

換句話說(shuō)，他認(rèn)為ENCODE對(duì)有用基因的定義太寬泛了，這就好比說(shuō)，你要是把動(dòng)物定義成“會(huì)動(dòng)的物體”，那么滾動(dòng)的石頭，流動(dòng)的水也可以算是“動(dòng)物”了。

進(jìn)化需要大量垃圾基因

格厄爾認(rèn)為，許多人之所以難以接受DNA上垃圾基因占絕大多數(shù)這一事實(shí)，一個(gè)勁地要為垃圾基因“翻案”，是因?yàn)樗麄儧](méi)考慮到垃圾基因在進(jìn)化上的重要作用。

我們知道，生物進(jìn)化的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力是基因突變。造成突變的原因有紫外線的照射、在細(xì)胞分裂過(guò)程中DNA復(fù)制出錯(cuò)等。突變是隨機(jī)的，就是說(shuō)在整條DNA上任何一個(gè)位置，不論是有用基因還是垃圾基因占據(jù)的位置，發(fā)生突變的概率是均等的。在進(jìn)化過(guò)程中，子代往往從父輩那里遺傳了一大堆突變基因。如果這些突變?cè)斐蓢?yán)重的后果，有些子輩在未生下自己的子嗣之前就會(huì)死去。進(jìn)化通過(guò)這種方式來(lái)阻止一個(gè)物種中有害突變的逐代積累，不這樣的話，就會(huì)危及整個(gè)物種的生存。

我們不妨試想一下，倘若我們身上大多數(shù)的DNA具有某種生理功能，那意味著，大多數(shù)突變將落在這些DNA序列上，生下的大多數(shù)孩子將會(huì)因有著這樣那樣的缺陷而不能傳宗接代。為了得到一個(gè)健康的孩子，要以生下很多有缺陷的孩子為代價(jià)。這是與實(shí)際情況不符的。相反，如果我們的大部分DNA是垃圾，那么大多數(shù)的突變就不會(huì)對(duì)我們的繁衍造成影響。

格厄爾計(jì)算了一下，在不同情況下為了能夠進(jìn)化，一對(duì)夫婦需要生多少孩子才能避免積累太多有害的突變。

他發(fā)現(xiàn)，如果整個(gè)基因組的DNA序列都具有生理功能，這對(duì)夫婦需要大約生1億個(gè)孩子，才能保證其中有2個(gè)是正常的（2個(gè)是保證人類(lèi)不至于數(shù)代之后滅絕的最低數(shù)目）。即使基因組中只有1/4的DNA序列據(jù)有生理功能，每對(duì)夫婦平均也要生近4個(gè)孩子，才能保證有2個(gè)是正常的。

考慮到基因突變率和史前人類(lèi)的平均生殖率，格厄爾計(jì)算表明，我們的DNA中大約僅有8%到14%可能具有某種實(shí)實(shí)在在的生理功能。這與2014年的另一項(xiàng)研究所下的結(jié)論不謀而合。在那項(xiàng)研究中，科學(xué)家將我們的基因組與其他物種的基因組進(jìn)行了比較，得出結(jié)論：人類(lèi)基因組中大約僅有8%具有某種實(shí)實(shí)在在的生理功能，所以只有2.1萬(wàn)個(gè)有用基因并不奇怪。