新科技系列生命機理：DNA和酶
新科技系列<5>生命機理：DNA和酶
人造精子是一項能讓女性獨立生育的技術。成熟的女性“人造精子”將可以和卵子進行試管授精，生育繁衍後代。這意味著從理論上來說，女性就可以在不依賴男性的情況下，獨自繁衍生子。但納耶尼亞教授稱，就目前來說，他並沒有任何意圖讓女性“人造精子”和一枚人類卵子進行授精。如果科學家要進行這樣的人工授精實驗，必須要先得到英國人類授精和胚胎管理局批准才行。
製造出人造精子的幹細胞取自於生命最初階段的胚胎，但是科研人員希望能夠利用男子的皮膚組織製造出人造精子。那就需要把皮膚組織細胞置於特定的培養環境中，讓其生物鐘調整到胚胎幹細胞的狀態，然後再轉化成精子。科學家通過女性幹細胞製造出人造卵子，屆時人造精子和人造卵子結合，將會誕生完全人造的嬰兒。
生命和人類來自何處？生物體的脫氧核糖核酸（DNA）偶爾會發生變化或變異。變異會改變生物體的DNA，並直接影響下一代或間接影響後幾代。變異帶來的變化可能有益，也可能有害，或者無益也無害。如果變化有害，那麼其後代就不太可能繼續生存繁衍，變種也就會滅絕消失。如果變化有益，那麼其後代就可能比其他後代更具競爭力，從而繁殖得更多。通過繁殖，有益變異得到廣泛傳播。這種淘汰有害變異而傳播有益變異的過程稱為自然選擇。
在漫長的時間裡，隨著變異的不斷發生和傳播，最終會導致新物種的形成。歷經數百萬年，變異和自然選擇過程已經創造出了我們今天看到的每一個物種，從最簡單的細菌一直到最複雜的人類。幾十億年前，一些化學元素經過隨機組合，形成了可自我複制的分子。這個生命的火花就是我們今天看到的所有生物（以及我們再也看不到的生物，例如恐龍）的起源。通過變異和自然選擇過程，這種最簡單的生命形式已經演化出了地球上的每一種生物。
從細菌的日常進化中，我們可以看到最單純的進化形式。細菌是微小的單細胞生物體。以大腸肝菌為例，這種細菌大約是一般人類細胞大小的百分之一。您可以將這種細菌看作是一個細胞壁（細胞壁又可以看作是微小的塑膠袋），其中充滿了各種蛋白質、酶、其他分子以及一個DNA長鏈，所有這一切都漂浮在水中。
大腸肝菌中的DNA鏈包含約四百萬個鹼基對，這些鹼基對組成約1,000個基因。基因只是蛋白質範本，而且通常這些蛋白質是酶。酶是一種可加速特定化學反應的蛋白質。例如，在大腸肝菌DNA中的1,000種酶中，也許有一種酶知道如何將一個麥芽糖分子（單醣）分解為兩個葡萄糖分子。雖然這種特殊的酶只能做到這一點，但在大腸桿菌進食麥芽糖時，這種作用就很重要。一旦麥芽糖分解為葡萄糖，其他酶就會作用於葡萄糖分子而將其轉化為細胞可利用的能量。
為生成所需要的酶，大腸肝菌細胞內部的化學機制會從DNA鏈生成某個基因副本，然後使用該範本形成酶。在大腸肝菌內部，可能四處漂浮著一些酶的數千個副本，以及其他酶的少量副本。這些漂浮在細胞內的約1,000種不同類型的酶使得細胞的所有化學反應成為可能。正是這些化學反應，大腸肝菌細胞才成為“有生命”的物質：能夠感知食物，到處活動、進食和繁殖。在任何有生命的細胞中，DNA幫助創造酶，而酶則創造構成“生命”的化學反應。
解釋了DNA鍊是如何改變的。X射線、宇宙射線、化學反應等類似機制可以改變DNA鏈中的鹼基對而產生變異，而這種改變又可能導致新的蛋白質或酶產生。我們今天看到的所有生命形式是經過數十億次變異的結果。最初的自我複制分子是自然形成的。它進化成單細胞生物體。這些單細胞生物體進化成多細胞生物體，多細胞生物體又進化成脊椎動物，如魚等。在這一過程中，DNA結構從今天在細菌中發現的無性單鏈形式進化成所有高等生命形式中的雙鏈染色體形式。此外，染色體的數目也在增加。
進化的變異機制不能解釋基因組是如何發展的。點變異如何能夠創造新的染色體或延長DNA鏈？該領域的一個研究方向將注意力集中在轉位子（又稱為轉位因數或“跳躍基因”）上。轉位子是一種能夠從一個染色體轉移或複製到另外一個染色體的基因。轉位元因數還以其他方式為基因組多樣性做出貢獻。當由同一個特定於位點的重組酶（易位酶）識別的兩個轉位因數合併入相鄰的染色體位點時，它們之間的DNA可以成為易位酶的轉位主體。由於此舉為複制和移動外顯子（外顯子改組）提供了一種特別有效的途徑，這些因數可以幫助創造新的基因。
另外一個研究領域是多倍性。通過多倍性過程，染色體總數可以翻倍，或者單個染色體可以自我複制。該過程在植物中相當常見，並解釋了為什麼一些植物的染色體可以有100對之多。科學家對該領域進行了大量研究，並從中瞭解了有關DNA的神奇之處。
進化和基因改變的年代表是非常漫長的。一般而言，從一個物種進化到另一個高級物種的過程可能要經歷數十萬年；通常，如果兩個物種密切相關（例如獅子和老虎），那麼它們之間的行為差異看起來也會很小。我們的腳趾是人類器官系統最近進化的一個例子。人們在行走時，大腳趾起著重要的平衡功能，其他腳趾則沒有明顯的功用。很明顯，它們是從用於抓握和揮動的指狀附肢進化而來的（如那些樹棲的猿和猴子）。這種進化構成再專化，即對最初為了一種功能而進化的器官系統進行改造以適應另一種迥然不同的功能，而這大約需要幾千萬年的時間才能完成。需要進化100,000年才能在現有結構中實現較小變化的事實表明進化實際上是多麼緩慢。新物種的創造需要經歷漫長的時間。
另一方面，我們知道進化能夠以極快的速度發生而創造出新的物種。哺乳動物的巨大進步是有關進化速度的一個例子。您可能聽說過，約6,500萬年前，所有的恐龍突然滅絕了。一種理論認為，這次大規模滅絕是小行星撞擊地球造成的。對於恐龍來說，小行星撞擊地球那天是糟糕的一天，但對於哺乳動物來說卻是美好的一天。恐龍的消失為哺乳動物提供了更廣闊的生存空間，哺乳動物開始繁榮並逐漸分化。與今天相比，6,500萬年前的哺乳動物要簡單得多。在6,500萬年中，我們今天看到的每種哺乳動物（超過4,000種）都是從像鼠齒龍這樣的小型四足生物進化而來的。通過隨機變異和自然選擇，進化已經從那個低級起點創造出具有驚人多樣性的哺乳動物已經創造出了數千個形態各異、大小不一的物種，從僅重幾克的小型褐色蝙蝠到近
卡爾·薩根曾經寫道：“一般而言，從一個物種進化到另一個高級物種的過程可能要經歷數十萬年；通常，如果兩個物種密切相關（例如獅子和老虎），那麼它們之間的行為差異看起來也會很小”。在6,500萬年中，只有650個100,000年，那是進化時鐘的650次“滴答”。現代人類是從一種稱為直立人的物種進化而來的。直立人出現在大約2百萬年前。通過觀察直立人的頭骨，我們可以知道，他們的大腦在800到900立方釐米(CC)之間。
現代人類大腦平均為
讓我們假定直立人能夠每10年繁殖一代。這意味著，在2百萬年中有200,000代的直立人。關於在200,000代中增加的500億個神經細胞來自何處？每一代，直立人大腦增加250,000個新的神經細胞（250,000*200,000=500億）。每100,000年，直立人大腦增加25億個新的神經細胞（2,500,000,000*20=500億）。也許在500,000年前，有間隔較短的20代左右中，每一代增加了25億個神經細胞。某一天直立人大腦偶然地增加了500億個新的神經細胞而形成智人的大腦。
這些假設都不是特別令人信服。我們看不到任何證據證明進化隨機向現在出生的每個孩子增加了250,000個神經細胞，所以這種解釋很難讓人接受。一次增加25億個神經細胞的觀點令人難以想像，因為沒有方法解釋這些神經細胞是如何自己聯結的。 DNA分子中發生什麼樣的點變異會突然創造數十億的新神經細胞並將它們正確聯結呢？ *當前的進化論並沒有預測到這是如何發生的。
當前研究的一個方向是觀察胚胎髮育過程中DNA結構的非常微小變化會產生怎樣的影響。所有的新生動物，無論是老鼠還是人類，都是從單個細胞開始生命的。該細胞分化並發育為完整的動物。在發育過程中，細胞之間會發生大量的信號傳遞，以確保一切都準確就位。信號傳遞過程中的微小變化可能對最終的動物產生非常大的影響。這就是只有區區60,000個左右基因的人類基因組為何能夠構建人體的原因，要知道人體中包含數萬億個細胞、數十億個完美聯結的神經細胞和數百個不同的細胞類型，這些細胞都完美組合成心臟和眼睛等各種不同的人體器官。
《細胞分子生物學》一書中如此闡述：人類，作為與類人猿截然不同的一個屬，僅僅存在了幾百萬年的時間。因此，從人類問世以來，每個人類基因積累的核苷變化都相對較少，而且自然選擇淘汰了其中的大部分。例如，對人類和猴子的比較表明，二者的細胞色素C分子存在大約1%的差異，而二者的血紅蛋白的氨基酸位置存在約4%的差異。顯然，我們的大量基因基礎很可能在智人出現之前很久就已形成了，即在哺乳動物進化期間（約開始於3億年前）甚至更早就形成了。雖然哺乳動物之間存在很大差異（如人和鯨），但它們的蛋白質卻極其類似，所以，在產生如此顯著的形態差異的進化中，構成我們人類的分子的變化必須相對較少。相反，有人認為形態差異源於胚胎髮育過程中基因表達的時間和空間特徵的差異，然後這些差異又決定著成年個體的大小、形狀和其他特徵。
少量DNA變異的集合可能會對最終結果產生非常大的影響。現在人類大腦中聯結1,000億個細胞的信號傳遞機制還是一個謎。人類基因組中的區區60,000個基因如何能夠指揮1,000億個神經細胞在人腦中精確地將自己聯結起來？迄今為止，無人能夠完全理解如此少的基因如何能夠精妙地聯結如此多的神經細胞。對於正在子宮中發育的胎兒，其DNA每分鐘都在準確地創造並聯結著數百萬個細胞。由於DNA在每個嬰兒誕生時都能聯結成正常人腦，因此DNA可能具有一些能夠使進化過程更有效地進行的特殊屬性。隨著人們對這些機制的理解更深入，DNA變異在發育過程中的作用也會越來越明朗。