​基因自助餐

（文 / 袁越）

经过科普作家多年的努力，很多读者都已经知道滥用抗生素会导致细菌产生抗药性。那么，细菌是怎么获得抗药性的呢？很多文章都说是通过基因突变。但是最新一期的《自然遗传学》杂志刊登了英国科学家马丁·勒彻的研究报告，从根本上动摇了这个假说。勒彻的实验结果表明，“横向基因传递”才是细菌们真正的秘密武器。

所谓“横向基因传递”（Horizontal Gene Transfer）说白了就是非直系亲属之间的基因交换。也就是说，基因不但可以从父母传给儿女（纵向），而且还可以在两个不相干的个体之间传递。微生物学家早就发现，两个细菌在相互接近的时候可以互相交换各自的遗传信息，取长补短。科学家把这种现象比作“细菌性交”，它和真正的有性生殖一样，都是生物适应环境，加速进化的有效手段。

问题的关键是:“横向基因传递”对细菌的进化究竟有多大的影响？

勒彻是世界上第一个研究这个问题的科学家。他选择的研究对象是大肠杆菌及其祖先——沙门氏菌，这两种细菌在大约100万年前分道扬镳。勒彻研究了两者的新陈代谢系统，也就是细菌体内负责处理外来物质（包括营养和毒素等等）的那些基因。大肠杆菌有大约900个这样的基因，编码904个不同的蛋白质。这些蛋白质大都是蛋白酶，这些酶催化了931种不同的化学反应，它们构成了一个“新陈代谢网”。这个网就是细菌成长的核心部分。

勒彻的研究发现，大肠杆菌的“新陈代谢网”在这100万年里只通过基因突变的方式获得了一个新的基因，而通过“横向基因传递”的方式获得了至少25个新基因！仔细分析这25个新基因，勒彻发现它们都不属于新陈代谢最关键的部分，而是一些外围基因，它们的主要作用就是帮助细菌更好地适应新环境。

比如，一群细菌突然掉进了一个充满乳糖的汤里，它体内原本没有能够消化乳糖的酶，怎么办？一个办法是通过基因突变来获得这种新性状，但突变是随机的，很不靠谱。实际上细菌们多半采取了一种偷懒的办法，就是和周围那些具有乳糖酶基因的细菌交换DNA。以此类推，细菌的抗药性基因大都也是通过这种“横向基因传递”得来的。

那么，环境中怎么会有抗药性基因呢？原来，细菌获得基因的方式有很多种，它们不但可以通过相互接触来交换DNA，也可以通过一种专吃细菌的病毒——噬菌体来进行远程交换。噬菌体就像蚊子传染疾病那样在细菌之间传递DNA，它们在自然环境中数量巨大，每毫升湖水中可以含有高达1亿个噬菌体！除此以外，细菌们还可以直接从环境中摄取DNA片断。事实上，DNA是一种非常稳定的分子，从死亡细菌体内释放到环境中的DNA可以存活很长的时间。研究发现，在海水中的DNA能够保持45～83小时不被降解，在海底淤泥中则可以维持235小时不失活性。

由此可见，我们可以把整个地球想象成一个巨大的DNA自助餐厅，细菌们你来我往，各取所需。细菌不饿的时候会选择不去吃基因饭，但当环境发生变化的时候，它们就会加快进餐的速度。过去微生物学家发现过一个奇怪的现象，那就是细菌的DNA在恶劣环境下的变异速度远大于正常情况，这一现象曾经被叫做“指向性突变”，也就是说科学家认为细菌们可以有选择性地提高某类基因的变异频率。现在科学家们终于知道了这一现象背后真正的原因，那就是“横向基因传递”。细菌一点也不笨，别人已经有了，干嘛自己生产？拿来用就是了。

这一发现还为一个困扰了科学家多年的细菌进化问题提供了一种有意思的解释。进化论研究者曾经根据细菌的基因突变频率计算过细菌进化所需时间，结果发现细菌们进化到现在这个样子需要80亿年的时间，这个数字几乎是地球历史的两倍。一些神创论者曾经用这个数字攻击过进化论，而另一些严肃科学家（包括发现DNA双螺旋结构的弗朗西斯·克里克教授）则提出了一个大胆的假设，他们认为地球上所有的生命都来自外星球智慧生物播撒的“生命种子”。

勒彻的实验终于给这个问题提出了一个不那么“惊人”的解释:正是因为细菌掌握了“横向基因传递”这个秘密武器，才使得它们的进化速度如此之快。换句话说，细菌的进化不是只能通过基因突变来进行，新基因也不是只能通过父传子这种线性模式来传递。进化的路线图不是树型的，而是一个复杂的“关系网”，每种细菌对其他细菌的进化都做出了一点贡献。■