理论教育 基因中的女性线粒体DNA故事

基因中的女性线粒体DNA故事

时间:2023-11-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:仅由女性遗传的线粒体DNA,正是一个太古时代的古细菌。生命,有生有死,DNA代代相传,独立于外部世界。换句话说,线粒体DNA住在细胞这个小房间里的一个“小隔间”里,即住在自己的细胞膜里。而线粒体DNA是圆环形,细菌的DNA全部都是圆形的。

基因中的女性线粒体DNA故事

20世纪开始,非洲出现“化石大爆炸”,出土的化石超过世界其他地区化石的总和,包括300万—400万年前的化石,甚至2 300万年前的化石。在1987年的DNA检测结果没有出现的时候,考古学家和人类学家也普遍认为非洲是人类的起源地,我们的根在非洲。

剩下的唯一争议:人类到底有几个起源?到底进化了多少年?

1980年,两个发明DNA快速测序方法的科学家获得诺贝尔奖,他们是哈佛大学的沃特·吉尔伯特(Walter Gilbert)和剑桥大学的弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)。他们分别独立开发出两种DNA快速测序方法。正是这些快速测序方法的出现,促使伯克利大学的一个研究小组在1987年找到了“线粒体夏娃”:时间在20万年之内,地点在非洲。

2000年,找到“线粒体夏娃”的13年之后,“亚当”终于出现了:斯坦福大学的两个名叫彼得的科学家——彼得·欧依夫内尔(Peter Oefner)和彼得·安德希尔(Peter Underhill)发明了一种“忽视”具体的DNA序列、仅仅分析计算DNA序列之间差异的新的测序方法。包括这两个彼得在内的合计21个人,2000年联合发表了一项研究成果:大约6万年前,“亚当”出现在非洲。

但是,新的疑问出现了:为什么“亚当”和“夏娃”的“年龄”相差几万年?

事实上,“夏娃”和“亚当”都是一种实体(单倍群)概念,根据生物多样性分析计算得到的“夏娃”的年龄比“亚当”的时代久远,并非历史的真实。远古时代,只有少数男性与多数女性结合,很多男性没有能力抢夺配偶和留下后裔。也就是说,女性有更多生孩子的机会。此外,男性负责狩猎,死亡概率较高,或者没有生下儿子,所以很多Y染色体血统绝嗣了;女性负责采集,死亡概率较低,线粒体DNA血统留下的数量和机会更多。种种因素,导致了“亚当”与“夏娃”的年龄相差几万年的情况,但这并不表明“亚当”与“夏娃”的先祖不在同一时期存在于非洲。

大量多样性分析已经证实:在这两种DNA的世界旅程中,样本数据越多,路线越互相吻合。即使走到遥远的南美洲,建立新的文明,两种DNA分析的结果依然指向非洲。

2012年伦敦奥运会,非洲裔美国女运动员加布里埃尔·道格拉斯(Gabrielle Douglas)获得两枚金牌

6万年前人类走出非洲之后,仅仅经历了大约2 000代。6万年,2 000代,只是遗传学上的一瞬间。从外貌、语言到文明,人类的难以置信的多样性,才是我们智人这个物种的最大特点之一。例如,在有“人类的大熔炉”之称的美国,现在已经找不到多少“纯种”的非洲裔美国人了,正式登记的混血黑人比例超过30%,包括现任的美国总统奥巴马。真实的混血无法统计,以至于美国国家统计局在现在的美国人口普查中已经难以分类。

6万年前走出非洲散布四方之后,全球一体化把人类重新聚集在一起。

18世纪,瑞典的科学家卡尔·冯·林奈尝试将世界上的生命进行分类拼图,这是欧洲早期殖民主义努力的一部分。林奈的任务庞大而艰巨,他要归纳整理的不仅是在瑞典可以看到的生命,而且包括正在不断增多的从世界各地带回欧洲的大量物种。林奈创造出现代的系统命名法,他把生命分为两个界:植物界和动物界,然后在下面又分为门—纲—目—科—属—种。

林奈是按照动物和植物的外形进行分类的,例如鱼鳍的形状、蹄子的差异等。林奈没有解释为什么这样分类,他当时认为是“上帝创造出了这些差异”。其他的生命,例如原生生物(Protist,单细胞生物)和真菌(Fungus)等,现在已经从林奈当时划分的“植物界”分化出来,成为单独的界(Kingdom )。还有一个界,当时被林奈完全忽略了,即原核生物界(Kingdom Monera),这是德国的恩斯特·海克尔(Ernst Haeckel,1834—1919)提出的,显微镜技术终于进步到可以识别这些微小的生命组织。虽然恩斯特·海克尔提出了“细菌”一词,遗憾的是,他并没有真正看到过细菌。

林奈的分类体系蕴含着一种正确的假设:任何生命组织,仅仅属于某一实体的成员,一个生命组织不可能既属于植物又属于动物。20世纪的研究证实,所有生命组织都是各种动物到细菌的“组合”,至少在分子层次上全部都是如此。人类也是多种生物的“组合”。仅由女性遗传的线粒体DNA,正是一个太古时代的古细菌。(www.daowen.com)

人类基因组测序发现:人类与其他生物(黑猩猩)的最大差异不超过2%,人类基因中的大约8%的DNA序列与细菌病毒相同。这只能导出一个结论—人类是动物和细菌病毒拼合组装的。这个结果不仅被反复证实和接受了,并且被好莱坞电影大肆渲染,从《动物总动员》、各种机器人系列到《钢铁侠》系列,都描述了各种“拼装的怪物”。对于这场生命认识的革命,英国生物学家罗宾·韦斯(Robin Weiss,1940—)说了一句值得深思的名言:“如果达尔文出现在今天,他会感到非常惊讶,原来人类是猴子和各种病毒的后裔。”

动物细胞

生命,与物质不同。生命,有生有死,DNA代代相传,独立于外部世界。组成各种生命的过程太困难了,所以各种生命组织必须长期“合作演化”(中性)。遗憾的是,有些病毒和细菌过于暴虐,它们很快杀死了自己的宿主,自己也随之死亡了。只有和谐共处的细菌和病毒,现在还随着宿主世世代代继续过着幸福的生活,直至融为一体。

现在的生物分类,早已远远超出了林奈时代的两个界(kingdom)——植物和动物两界,已经被生物界正式扩展为三个域(domain)、八个界,外加病毒(这种分域和分界仍在继续争议中)。在新的生物分类中,人类变成范围更广泛的“细胞生物—真菌域—动物界—灵长目—人科”的幸存的唯一的一员。

英语细胞(Cell)一词来自拉丁语Cella,意思是“小房间”。换句话说,线粒体DNA住在细胞这个小房间里的一个“小隔间”里,即住在自己的细胞膜里。人类基因组的46个染色体是长长的线形的,绕成螺旋塞进细胞核。而线粒体DNA是圆环形,细菌的DNA全部都是圆形的。

动物体内的能量工厂是线粒体,线粒体用氧气生产ATP能量

植物体内的能量工厂是叶绿体,叶绿体用二氧化碳进行光合作用

线粒体在大约十几亿年前是一个自由生活的细菌,不知道什么原因,也无法确定是什么时候进入了哺乳动物的细胞里,开始半独立“自治”,负责生产能量。线粒体的功能是利用氧气制造能量。细胞越有活力,需要的能量越多,包含的线粒体也越多。活跃的生物组织(如肌肉、神经和大脑)的每一个细胞里,都含有成千上万的线粒体。线粒体生产的是高能分子ATP。

我们身体的100万亿个细胞里的线粒体生产的ATP的数量很大,每天的产量大约相当于人类体重的一半,具体数量至今还没有权威的统计。有机组织做任何事情都用ATP作为能源,比如心肌收缩、看书时视网膜神经冲动、大脑进行思考等,人类的体温也是依靠ATP来维持在大约37℃的恒温。

使用氧气是细胞进化过程中的一个巨大进步。利用同等数量的燃料,细胞在使用氧气的情况下,比不使用氧气能够制造更多的高能ATP,即可以增加20万倍的能量。换句话说,我们每日三餐摄入的营养,只是我们的活动能量的很小一部分,我们人类主要的能量是线粒体用氧气制造的,新鲜的空气(氧气)比任何食物都更加重要。人不吃饭可以存活几周甚至更长时间,但是,人不呼吸则几分钟内就会死亡。所以,无污染的环境中的清新空气比再好、再多的食物都更加重要。

这种“20万倍的效率”如果与细菌的线粒体相比,我们人类又差得太远了,很多细菌每天可以从一个细菌繁殖成几万个几十万个细菌;如果生存条件合适,有的细菌一天可以繁殖到几十亿个。这些小小的微生物已经在地球上生存了大约35亿年,它们的本事显然比我们人类强大得多。

无污染的环境中的清新空气比再好、再多的食物都更加重要

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