在印度洋西安的非洲岛国马达加斯加,有超过九成的青蛙都存在有蛇的基因Bovine-B(BovB)。亲生骨肉竟然有了“隔壁老王”的血统?这究竟是蛇出了轨,还是青蛙劈了腿?还是传说中遥远而又神秘的“水平基因转移”惹的祸呢?


水平基因转移是蛇与青蛙的案件的罪魁祸首

当地蛇的一段基因BovB有着强大的能力——将自己的DNA点位复制到其他位置上。这种移形换影、移花接木的一招确实厉害,从蛇的身上水平转移到了寄生虫、水蛭等物种的转移下,进入到了青蛙体内。

这肯定不是一代蛇或者一代蛙能够完成的任务,在马达加斯加这样相对封闭的环境里,经过长年累月的发展,才铸就今日的情形。


生命延续 基因传递

在我们通常的认知里,基因是一条具有双螺旋结构的DNA片段,通常都是由父母双方各出一条,然后传给子代,形成下一代的基因。在不断地繁衍、组合中,基因不断演绎变化,但也在大体上保持了主要的信息,将种族特性一代代传递下去。

在一代代的繁衍中,难免会出现一些基因变异,于是就出现了生物的多样性。但在我们常规的概念中,这种变异发生的概率很低,而且大部分变异在自然的优胜劣汰中被筛选掉了。因此生物的演化总是要经过漫长的时间。想要出现大量的变异人种,只有在漫画影视《X-man》中才会存在。

然而,大自然的神奇远远超乎于人类的想象。


“荡漾在进化树枝间的猴子”

在我们的常规印象中,所有生物都是起源于最初的有机多分子体系演化而成的原始生命。随着生物个体间的不同进化路线分出了动物、植物,然后又细分出了门、纲、目、科、属、种等不同的分支。不同物种间的DNA就是沿着这些分支不断演化传递下去的。

在这看似“完美”的解释之下,却出现了不按常理出牌的怪胎——荡漾在进化树间的猴子。科学家们研究发现,基因除了常规的垂直传递外,还有“水平基因转移”这种形式存在!这种跨越物种的移动形式就如同一只不安分的猴子,在不同的进化树之间跳来跳去。


溶菌酶基因GH25

在进化树分支的底层是菌类、病毒、动物、植物等基础的分支,通常走向这几种分支的生物是井水不犯河水,朝着各自的方向繁衍下去。但是却有一种溶菌酶基因GH25游走于各个物种之间,出现在多个分支上面。

科学家最初发现GH25时,它还只是一段平平无奇的基因片段,它可以产生一种溶菌酶,破坏细菌的蛋白质外壳。有了它的存在,某些病毒就可以攻击细菌。相应的病毒就可以繁衍了。

然后,科学家们又发现某些细菌的DNA中也有GH25的存在,当细菌进行分裂时,GH25产生的溶菌酶可以把细菌自身的蛋白质外壳分解掉,相当于“自毁长城”。但也正因如此,这个细菌就可以进行正常的分裂繁殖了。

如果说以上的功效还算是常规操作,那么事情接下来的发展就出乎人们意料了。

美国反而比尔特大学的研究团队在基因数据库中查找GH25的踪迹,竟然发现在很多非细菌生物中也有它的存在!

除了像厚壁菌这样的细菌外,米曲霉、豌豆蚜虫、江南卷柏以及一些深海古菌中都出现了GH25的身影。

要知道,这么多种生物可是分别隶属于三大生物界,而且其中的豌豆蚜虫、江南卷柏祖先都不具备该段基因。

实验室主任Seth Bordenstein赛斯·波丹斯坦惊叹:一组基因出现在三大生物界,这不但拓展了生物界限,更拓展了人类对生物认知的边界!

基因组学家Olivier Panaud奥利维尔·帕诺德在研究GH25基因段的时候就发现,这段基因神出鬼没,生物基因进化的复杂程度远远大于人类的认知。

究竟GH25是如何做到突破生物界限实现水平转移的呢?

病毒结构简单,想要突破它的DNA不难。通过病毒的帮助,改变细菌的DNA,实现水平转移也并非难事,但是想要攻克其它物种的坚固堡垒,可就不难么容易了。

法国里昂第一大学生物统计学研究者Vincent Daubin 文森特·多宾指出了一条道路:当生物进食的时候,该食物恰好包含某个细菌的DNA片段,基因水平转移就可能出现了。这种概率就相当于一个人吃饭时恰好吃到了一张彩票。虽然概率很低,但只要经过大量的尝试,经过无数次失败之后,总会有成功的一天。

而且GH25本身的特性有助于生物对抗细菌,其中深海古菌就利用GH25产生的溶菌酶抵挡住了四波细菌的进攻。这样一来,凡是被GH25改变基因的生物都具备了更强的抗菌性,更容易存活下来,从而被后世的人类发现。

GH25只是基因水平转移的其中一个例子,与之类似的案例还有很多。


基因水平转移不止一个片段

范德比尔特大学的团队Rokas和Slot发现在数百万年前的曲霉属中有23个基因片段出现在了柄孢壳菌属的DNA之中。如此大规模的集体迁移,再次刷新了人类的认知。

随着研究的深入,越来越多的成果被发现。

来自浙江大学昆虫科学研究所的中国学者们在世界顶级期刊Cell《细胞》上发表论文:在218个高质量的昆虫基因组中使用高通量筛选算法,鉴定到1410个水平转移基因。

要知道,昆虫作为最繁茂的种群,早在4.8亿年前就已经出现在地球上了。丰富多样的习性是不同昆虫间的巨大差异,可是这些水平转移基因居然跨越了这些差异,出现在众多的昆虫之中。

当然,如此大规模的基因水平转移绝非偶然,它们的出现必定有存在的理由。研究者们通过对比实验发现,在拥有这段基因的蝴蝶或蛾子中,雄性对雌性的求偶行为更加强烈了。换成大白话来讲,就是有了这段基因的存在,那些常年母胎单身的钢铁直男们,有了这段基因片段后,终于开窍了,懂得如何去追女孩子了。

读到此处的单身人士是不是已经在怀疑,自己体内缺乏了这段基因呢?

其实大可不必担心。目前科学研究者们对基因水平转移的研究还没能证实这一点,找不到对象的问题不能怪自己的基因。


基因水平转移会波及人类吗?

不过,又有另一部分读者可能会担心了,自己的基因会不会被进行基因水平转移,自己的基因是否会被破坏呢?毕竟现在很多食物都是转基因了嘛。

其实这方面也不必过于担心。基因水平转移常常发生在微生物领域,因为在细胞层级,一道细胞膜就挡住了大量的外来基因片段。因此在这个层级上,基因水品转移的活力就被大大限制了。

在人体这样大型的生物体内,身体细胞还会产生逆转录酶,把外来的DNA、RNA片段裁剪掉。毕竟,一段基因水平转移进入人体就已经是小概率事件了,再通过一小段基因片段就想改变真个人体的DNA,也太难为这段小小的基因了。

所以,一对夫妇产下的孩子,竟然会有隔壁老王的基因,大概率不会是基因水平转移的问题。这个锅,基因不背。

近些年来,随着科研的不断深入,人们逐渐意识到基因水平转移这一现象,并且它发生的频次比我们想象的要多。这只顽皮的猴子不断穿梭在生态进化树间。它的存在让我们的自然界更加的复杂,更加的丰富。当基因水平转移这只顽皮的“猴子“再次反复横跳,就会把DNA片段带到更多的生物进化分支上去,让这棵树结出更多奇异的果子,让世间的物种更加丰富多样。