龍漫遠(yuǎn)談神話、宗教和新基因的起源

龍漫遠(yuǎn)（章靜 繪），圖片背景為古生物學(xué)圣地，加拿大落基山中的Burgess Shale。

龍漫遠(yuǎn)教授是一位美籍華裔演化生物學(xué)家和遺傳學(xué)家，芝加哥大學(xué)Edna K.Papazian杰出講座教授，2022年榮獲古根海姆自然科學(xué)獎。

1993年，龍漫遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)了第一個年齡僅三百萬年的年輕基因——來自非洲果蠅的“精衛(wèi)”基因。這一研究成果打破了生物學(xué)界長期相信基因不變的理論，開創(chuàng)了一個生物學(xué)中的全新領(lǐng)域。此后，他的實驗室一直致力于新基因的起源和演化研究，科研成果不僅在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊發(fā)表，還被來自英、美、法、意大利、西班牙和中國等國際上幾十家主流媒體爭相報道。最值得一提的是，他的研究成果曾作為科學(xué)證據(jù)被搬上了聯(lián)邦法庭。事件源自賓夕法尼亞州多佛學(xué)區(qū)（the Dover Area School District）積極推崇神創(chuàng)論和其翻版的智慧設(shè)計教學(xué)模式。為此，十一位家長聯(lián)合起訴學(xué)校董事會和多佛學(xué)區(qū)，聲稱他們的做法違反美國憲法第一修正案政教分離的原則。最終，在科學(xué)事實面前，家長們贏得了這場官司，獲得了一百萬美元的勝訴。此案成為美國憲法法律經(jīng)典案例, 新基因起源相關(guān)的科學(xué)文獻(xiàn)成為有關(guān)憲法法律討論的依據(jù)。

龍漫遠(yuǎn)不僅在科學(xué)領(lǐng)域有著深厚造詣，在人文領(lǐng)域也有廣泛涉獵，在科學(xué)與人文之間架起了一座橋梁。在中國接受的多次采訪和發(fā)表的科普作品中，他再三倡導(dǎo)將evolution翻譯為“演化”而非“進(jìn)化”，這一努力已經(jīng)頗有成效。更有意思的是，如果有人告訴你，你其實來自一堆垃圾，你會怎么想？因為我們的基因組中有百分之九十八點(diǎn)五的基因是“垃圾”。龍教授實驗室一個重要的研究方向便是專注于此，并取得了巨大成就。2021年，他與學(xué)生艾米麗·模特拉（Emily Mortola）合作了一篇《從垃圾變來的我們：基因是怎么誕生的》，發(fā)表在《美國科學(xué)家》雜志，上?！妒澜缈茖W(xué)》雜志發(fā)表了中文版。他們深入淺出地告訴讀者非編碼基因?qū)π禄虻钠鹪?、生物多樣性和生命起源等方面發(fā)揮著的巨大作用。換句話說，“垃圾堆”其實是個大寶藏。

對中國人來說，"精衛(wèi)"是一只耳熟能詳?shù)男▲B，傳說它是炎帝的愛女在溺水身亡后化身而成。為了復(fù)仇鳴冤，它孜孜不倦地努力填海。在歷史地理學(xué)中，“精衛(wèi)填?！北徽J(rèn)為與海岸線的變遷相關(guān)，屬于地理學(xué)上的演化。三十年前，您取精衛(wèi)的 “死而復(fù)生” 和 “填海的善良義舉” 之意，為自己發(fā)現(xiàn)的一個新基因命名，那么，精衛(wèi)基因與生物演化有著什么樣的關(guān)系？

精衛(wèi)（明朝，王圻《三才圖會》）

龍漫遠(yuǎn)：精衛(wèi)基因存在于非洲果蠅中。這是第一個揭示新基因形成的早期階段的基因。我們還發(fā)現(xiàn)它逐漸演化出了新的生物化學(xué)功能。比如，乙醇脫氫酶是人和動物體內(nèi)重要的代謝酶，在很多生理過程起著關(guān)鍵作用，大量存在于人和動物肝臟、植物以及微生物細(xì)胞中。精衛(wèi)基因的母基因炎帝基因便可以表達(dá)乙醇脫氫酶，將乙醇氧化為乙醛，乙醛再在乙醛脫氫酶的催化下轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的乙酸。不同的是，精衛(wèi)在三百萬年的演化過程中，產(chǎn)生了一種新型脫氫酶。

在激素和信息素代謝中，它可以有效利用長鏈伯醇。這可能與幫助果蠅定位和早期發(fā)育有關(guān)。就在精衛(wèi)基因的新功能研究成果發(fā)表之后，由道格拉斯·弗圖摩（Douglas Futuyma）主編的《演化》這本演化生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最權(quán)威的教科書就系統(tǒng)地介紹了精衛(wèi)基因的起源及新功能。精衛(wèi)基因成為通用教材里關(guān)于新基因演化的經(jīng)典案例。

約公元前1479-1458的人面獅身雕像

您還吸收了西方神話，以“斯芬克斯（sphinx）”命名了另一個新基因。它和精衛(wèi)基因有何不同？

龍漫遠(yuǎn)：生命的基本過程是從DNA轉(zhuǎn)錄為mRNA，再翻譯成蛋白質(zhì)發(fā)揮功能，這就是生物學(xué)中通稱的“生命法則”。然而，并非所有的mRNA都可以被翻譯為蛋白質(zhì)，所以，可以編碼蛋白質(zhì)的mRNA被稱為編碼RNA，不編碼蛋白質(zhì)的mRNA被稱為非編碼RNA。

Sphinx這個詞來自希臘語。在古希臘神話和埃及神話中，它是一種長有翅膀和由不同物種嵌合而成的怪物，通常分別為雌性和雄性。西安西北工業(yè)大學(xué)的王文教授二十年前在我實驗室發(fā)現(xiàn)的這個新基因，是一個長鏈非編碼RNA基因，由預(yù)先存在于基因組中的兩個基因嵌合而成，是世界上首次發(fā)現(xiàn)的由蛋白質(zhì)基因轉(zhuǎn)變而成的RNA基因，其產(chǎn)生距今不超過兩百萬年。

與編碼蛋白質(zhì)的精衛(wèi)基因不同，斯芬克斯參與果蠅的求偶行為。我們還發(fā)現(xiàn)，如果從基因組中敲除斯芬克斯基因就很可能導(dǎo)致雄性向雄性求偶的行為發(fā)生。在一些缺失斯芬克斯基因的相關(guān)物種中，自然種群中的同性求偶行為高頻率出現(xiàn)，就證明了這是一種受遺傳控制的自然現(xiàn)象。

在美國普通民眾中，大部分人可以接受日心說、細(xì)胞學(xué)說、原子學(xué)說和板塊理論，唯獨(dú)演化論難以被接受。2013年皮尤研究中心調(diào)查結(jié)果顯示，只有百分之六十的成年人相信演化論，這當(dāng)中還包括了相信演化論是被神主導(dǎo)的人群。您在選擇進(jìn)入演化論領(lǐng)域之時，有過顧慮嗎？

龍漫遠(yuǎn)：選擇將其作為博士論文研究的課題時，我沒有絲毫猶豫，因為我堅信這是與生命多樣性密切相關(guān)的最重要的理論和自然過程。

每當(dāng)回想起首次閱讀達(dá)爾文的《物種起源》時的情景，我的記憶便變得鮮活起來，宛如昨日重現(xiàn)。那還是少年時代，我還是四川南部長江岸邊的瀘州市的一名小學(xué)生，在父親的辦公室里發(fā)現(xiàn)了它的中譯本。達(dá)爾文生動地描述關(guān)于演化力量的內(nèi)容深深地吸引了我，開啟了我對演化論的好奇心。我之所以能夠堅定地投身于演化論研究，這也要?dú)w功于我在中國接受的科學(xué)教育。從中學(xué)到大學(xué)，我在求學(xué)的過程中逐漸形成了無神論的世界觀。

在一個以基督教為主的國家，宗教和演化論之戰(zhàn)時常發(fā)生，您的研究還曾經(jīng)為賓州多佛縣的家長們贏得了一百萬美元。宗教對您的研究是否有影響？

龍漫遠(yuǎn)：我的新基因演化研究在備受關(guān)注的基茨米勒訴多佛案中被視為科學(xué)事實，引為證據(jù)，最終得到法官的采納。這已經(jīng)成了美國憲法法律討論的經(jīng)典案例。此外，它還得到了耶魯大學(xué)文學(xué)教授、普利策獎得主和芝加哥大學(xué)著名作家的關(guān)注，出現(xiàn)在《紐約客》、Quillette等知名雜志上。但是，我不知道法官最終將一百萬美元罰款支付給了原告——即那些學(xué)生的家長，還是作為法律費(fèi)用支付給了法庭。不過，我相信多佛政府此后不得不遵守美國憲法修正案第一條中政府與宗教分離的原則。

我的科學(xué)研究本身不受任何宗教影響。不過有趣的是，首篇精衛(wèi)基因相關(guān)論文在《科學(xué)》上發(fā)表的第二天，加州大學(xué)戴維斯分校的神父在《加州大學(xué)報》上發(fā)表了一篇評論文章。我們原以為可能會是負(fù)面的評論。出乎意料的是，他竟然贊揚(yáng)了我對遺傳學(xué)做出了巨大的貢獻(xiàn)，還呼吁他的信徒都要發(fā)揚(yáng)“精衛(wèi)”精神，服務(wù)好社區(qū)。

為什么在英文世界里，支持或反對演化論的文章和著作層出不窮，比如《盲眼鐘表匠》《審判達(dá)爾文》《達(dá)爾文危險的觀點(diǎn)》《機(jī)器人的叛亂》等等？

龍漫遠(yuǎn)：在我看來，任何反對演化論的論述，無論是論文或書籍，都不應(yīng)歸類為科普作品。它們并非在探討科學(xué)問題，而是在傳播宗教熱情。生物演化已經(jīng)是一個通過多個角度和海量證據(jù)里得到證實的事實，任何接受過最基本的生物學(xué)和演化論教育的人都應(yīng)該看到并欣賞這些確鑿證據(jù)。

演化論是一門基礎(chǔ)科學(xué)，應(yīng)該像其他科學(xué)理論一樣，在理解真實世界中時間和空間里的生命狀態(tài)方面發(fā)揮重要作用。若不能正確理解演化論，就難以理解包括我們自身在內(nèi)的生命的奧秘和起源及演變的過程。

我記得我們曾經(jīng)在一次聊天中談到了《自私的基因》和《盲眼鐘表匠》的作者、著名的演化論支持者和知名科普作家理查德·道金斯（Richard Dawkins）。如果您遇到他，想和他聊些什么？

龍漫遠(yuǎn)：道金斯強(qiáng)調(diào)了自私的基因在演化中的作用。我喜歡閱讀他的著作。我想探詢他對基因以外的其他層次的選擇性單位的看法。

我在哈佛大學(xué)的一個導(dǎo)師，兩年前剛剛?cè)ナ赖睦聿榈隆り懳念D（Richard C. Lewontin）自七十年代起就一直認(rèn)為基因只是自然選擇的一個層面。還有許多層面都可以是選擇的單位：從細(xì)胞到組織，從個體到群體，從物種到生態(tài)系統(tǒng)到生物圈。 我曾經(jīng)的同事李·范瑋倫（Leigh Van Valen）是演化生物學(xué)芝加哥學(xué)派的重要人物之一，他提出了紅皇后假說和大滅絕理論，堅信物種間的競爭至關(guān)重要。我認(rèn)為人類活動導(dǎo)致了許多物種的滅絕，這一事實可以作為范瑋倫理論的一個支持證據(jù)。我想了解道金斯為何僅僅強(qiáng)調(diào)基因這一個層面。

“新基因起源”研究在生物演化研究領(lǐng)域中扮演著何種角色？ 與自然選擇或者性選擇有著什么樣的關(guān)系？

龍漫遠(yuǎn)：我們致力于探尋自然界中塑造新生成基因的真實過程和潛在機(jī)制。生物的演化過程依賴于遺傳基礎(chǔ)，新形成的基因在其中扮演著關(guān)鍵角色。為了更深刻地理解生物演化，我們必須深入探究新基因的起源和演化。

我們的實驗發(fā)現(xiàn)新基因往往受到自然選擇和性選擇這兩種演化力量的影響。同時，我們也發(fā)現(xiàn)了在基因外顯子重新洗牌、基因復(fù)制和自然選擇的共同作用下，蛋白質(zhì)的功能多樣性也得以迅速增強(qiáng)。近年來，我們在野生稻中發(fā)現(xiàn)的大量的由非編碼DNA演化而成的基因就強(qiáng)烈地表明，自然選擇和性選擇對新基因起源產(chǎn)生了巨大影響。

太陽神阿波羅和月亮女神阿爾忒彌斯

怎樣從分子層面理解適者生存和生物多樣性？

龍漫遠(yuǎn)：我們注意到，基因的功能和結(jié)構(gòu)在分子多樣性方面的差異似乎是生物為了展現(xiàn)形態(tài)和生理上的多樣性，這顯然是物種適應(yīng)其生存環(huán)境的結(jié)果。我想強(qiáng)調(diào)的是，生物多樣性不僅受到在變化環(huán)境中的適應(yīng)性演化塑造，還受到與性相關(guān)的選擇因素的左右，包括性選擇和拮抗選擇，后者可能在遺傳沖突方面發(fā)揮作用，比如性沖突。

有很多例子證明新基因顯然有助于生物適應(yīng)多變的環(huán)境，成為達(dá)爾文自然選擇理論的遺傳基礎(chǔ)。然而，近年來我們觀察到許多新基因的演化完全無法用傳統(tǒng)的達(dá)爾文理論來解釋，也無法用達(dá)爾文之后興起的中性分子演化論解釋。例如，阿波羅和阿爾忒彌斯是果蠅中誕生于二十萬年前的基因，它們也是迄今為止已知的最年輕的基因，分別在雄性和雌性的生殖功能中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。

在古希臘神話中，太陽神阿波羅和月亮女神阿爾忒彌斯是孿生姐弟，生來感情深厚，性格迥異，他們都精通射箭和狩獵，對保護(hù)萊托女神有著同樣的熱情。我的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)這兩個基因源自共同的祖先。起因是祖先基因在復(fù)制時開了“小差”，將一個基因序列同時復(fù)制了兩次，形成了一條染色體中存在兩個相鄰但序列略異的基因。

為了進(jìn)一步了解這個有趣的發(fā)現(xiàn)，我們采用基因敲除進(jìn)行了實驗。最后發(fā)現(xiàn)，阿波羅基因?qū)π坌陨χ陵P(guān)重要，但對雌性生育力不利。阿爾忒彌斯基因?qū)Υ菩缘纳芰χ陵P(guān)重要，但對雄性的生育能力卻有害無益。更令人震驚的是，如果敲除阿波羅基因，雌性的生殖功能會更加強(qiáng)大，但是會導(dǎo)致雄性不育。相似的結(jié)果在敲除阿爾忒彌斯基因時也得到了。

既然如此，為何果蠅還要保持這兩個基因同時存在？它們又能否在正常自然條件下緩解自己遭受的傷害呢？為了調(diào)和這一矛盾，果蠅們笨拙地運(yùn)用調(diào)控機(jī)制來實現(xiàn)，以達(dá)到阿波羅的蛋白質(zhì)表達(dá)量在雌性中降到最低，阿爾忒彌斯的表達(dá)量在雄性中降到最小，但不能夠完全終止這些基因的有害表達(dá)。原來，他們都是為了另一個“性的基因”完成必需功能而“忍辱負(fù)重”地活著。這是第一個基因起源以性沖突的范式控制物種演化的實驗證據(jù)。

從中我們可以發(fā)現(xiàn)，生命不完美已經(jīng)不再僅僅是一個永遠(yuǎn)存在爭議的哲學(xué)命題。它的真實存在直接指向基因在功能上的不完美，那一個控制所有生命現(xiàn)象最基本遺傳單位功能的不完美！可以想象當(dāng)我的學(xué)生和我看到實驗結(jié)果時的那份震驚和無奈。

2023 年4月，耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院以及哈佛大學(xué)的學(xué)者們合作發(fā)表了一項研究成果，指出與黑猩猩相比，人類缺失了一些基因片段?？赡苓@種缺失成就了 “人之所以為人” 。這與他們本身就存在染色體數(shù)量差異有什么關(guān)系？

龍漫遠(yuǎn)：類似的因果陳述之前已經(jīng)有人多次提過。目前，我沒有看到他們?nèi)〉锰嗟某晒?。你提到的研究，作者們在因果陳述之前使用了“可能”一詞，已經(jīng)表明他們的信心有限。不過，他們提出了一個有趣的假設(shè)。在沒有實驗手段來測試這些片段對人類表型的影響并進(jìn)行量化的情況下，要建立起缺失片段與人類表型之間的有力聯(lián)系確實是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我鼓勵人們大膽地去探索和驗證這一假設(shè)，因為這是當(dāng)今最引人注目的有關(guān)人類起源的假設(shè)之一。也許在研究遺傳與行為之間的關(guān)系時，更可靠的結(jié)果將來自于能夠進(jìn)行嚴(yán)格實驗的小型模式生物，比如果蠅、蜜蜂、小鼠或一些靈長類動物，尤其是那些能夠展現(xiàn)人類特有社會行為的靈長類動物。

可以講講中國目前的分子演化領(lǐng)域的研究情況嗎？

龍漫遠(yuǎn)：分子演化學(xué)或許是中國生物科學(xué)中發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一。近年來，我讀到了大量來自中國不同生物學(xué)分支的研究報告，涵蓋了專注于分子與基因組演化的領(lǐng)域，以及運(yùn)用分子演化工具來解決生物問題的其他生物學(xué)研究。令人欣喜的是，像《細(xì)胞》《自然》和《科學(xué)》這樣的頂級學(xué)術(shù)期刊也刊登了許多來自中國的分子演化學(xué)論文。

《科學(xué)》雜志出版了由西北工業(yè)大學(xué)的王文教授、浙江大學(xué)的張國捷和周琦教授編輯的專注于反芻動物和鳥類基因組與分子演化領(lǐng)域的兩期特刊，在國際上引起了較大的科學(xué)影響。去年，《細(xì)胞》雜志刊登了北京大學(xué)張蔚教授的枯葉蝶擬態(tài)研究，深刻地揭示了演化的分子與自然選擇互作機(jī)制?！蹲匀弧鷳B(tài)與演化》這本頂尖的自然系列雜志也發(fā)表了多篇中國科學(xué)家在分子演化領(lǐng)域的突破性研究。我還在由西方世界主編的一些杰出分子演化和演化遺傳學(xué)專業(yè)期刊中閱讀到了眾多出色的來自中國的論文，涵蓋了幾乎所有本領(lǐng)域的研究成果。

這些成就都是近二十年來取得的。這充分體現(xiàn)了中國科學(xué)家在分子演化領(lǐng)域的激情和創(chuàng)造力，他們獲得了國家自然科學(xué)基金委員會、深圳華大基因、中國科學(xué)院以及其他中國各大研究機(jī)構(gòu)和科研管理機(jī)構(gòu)的鼎力支持。

與傳統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域相比，分子演化領(lǐng)域提出了更多尚待解決的重大科學(xué)問題，同時也要求在大規(guī)模組學(xué)、分子實驗、定量分析和計算方面具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶I(yè)知識。因此，中國的大學(xué)需要進(jìn)一步提供相關(guān)科學(xué)知識、分析和實驗技能的教育。這個領(lǐng)域為科學(xué)家提供了前所未有的豐富機(jī)會。我有理由樂觀地預(yù)期，分子演化領(lǐng)域在中國未來會繼續(xù)蓬勃發(fā)展壯大。