拉馬克：誰動了我的進化論

柳振浩/文

提到進化論，我們首先想到的是達爾文，達爾文是公認的現代生物學奠基人。而實際上, 拉馬克早在達爾文出生的那一年(1809年)就在《動物學哲學》里提出了自己的進化學說，但在生物學歷史上，達爾文主義一直佔據著統治地位，而拉馬克主義則一直受著不公的待遇。但隨著最近幾年表觀遺傳學的發展，越來越多的證據表明，拉馬克主義也是科學的。

在生物學上，有些生物基因沒變，但能夠把一些性狀遺傳給下一代，這被稱為表觀遺傳學。這一理論的主要提出及代表人物就是拉馬克。拉馬克認為，生物經常使用的器官會逐漸發達，不使用的器官會逐漸退化，這就是進化領域的「用進廢退」學說。

拉馬克（Jean Baptiste Lemarck，1744～1829）在1809年出版了《動物學哲學》。他在書中系統地闡述了他的進化學說，提出了兩個法則：一個是用進廢退，一個是獲得性遺傳。後人把拉馬克對生物進化的看法稱為拉馬克學說或拉馬克主義，其主要觀點是：

1 物種是可變的，物種是由變異的個體組成的群體。

2生物存在著由簡單到複雜的一系列等級階梯，生物本身存在著一種內在的「意志力量」驅動著生物由低等級向高等級發展。

3 生物對環境有巨大的適應能力，環境的變化會引起生物的變化，生物會由此改進並適應，環境的多樣化是生物多樣化的根本原因。

4 環境的改變會引起動物習性的改變，習性的改變會使某些器官經常使用而得到發展，另一些器官不經常使用而退化，在環境影響下所發生的定向變異，即後天獲得的性狀是能夠遺傳的。

由於拉馬克的觀點與當時占統治地位的物種不變論產生了很大的衝突，他受到敵對勢力的打擊和迫害，導致他的一生都是在貧窮與冷漠中度過的。晚年的拉馬克雙目失明，忍受病痛的折磨，但仍頑強地讓幼女柯尼利婭做筆錄，自己堅持寫作，把畢生精力奉獻給了生物學的研究。

晚年拉馬克（圖片來源：wiki）

達爾文（1809.2.12～1882.4.19）從小就熱愛大自然，喜歡打獵、採集礦物。16歲時便被父親送到愛丁堡大學學醫。他進入大學第二年，就加入一個專註於博物學的學生團體，並且成為羅伯特·愛德蒙·葛蘭特（Robert Edmund Grant）的學生，葛蘭特是一位拉馬克主義的擁護者。由於達爾文的父親認為他「不務正業」，一怒之下於1828年送他到劍橋大學改學神學，希望他將來成為一個「尊貴的牧師」。達爾文對神學院的神創論十分厭煩，於是把大部分時間用在了聽自然科學講座，閱讀科學書籍，收集甲蟲等動植物標本上，學生時代的達爾文對神秘的大自然充滿了濃厚的興趣。

1831年，達爾文開始了歷時五年的環球科學考察旅行，1859年經過20多年研究終於出版了《物種起源》。在這部書里，達爾文旗幟鮮明地提出了「進化論」的思想，說明物種是在不斷的變化之中，由低級到高級、由簡單到複雜的演變著的。這部著作的問世，第一次把生物學建立在完全科學的基礎上，以全新的生物進化思想與確鑿的大量證據，推翻了「神創論」和物種不變的理論。

達爾文自然進化論的核心思想是自然選擇，物競天擇，優勝劣汰，適者生存。他認為：生物都有繁殖過剩的傾向，而生存空間和食物是有限的，所以生物必須「為生存而鬥爭」。同一種群中存在著變異，那些具有能適應環境的有利變異的個體將存活下來，並繁殖後代，不具有有利變異的個體就被淘汰。如果自然條件的變化是有方向的，則在歷史過程中，經過長期的自然選擇，微小的變異就得到積累而成為顯著的變異，由此可能導致亞物種和新物種的形成。

長期以來，達爾文和拉馬克的學說都各有支持者。以長頸鹿為例：達爾文主義認為，生物通過基因突變，導致下一代脖子長的長頸鹿能夠吃到更多樹葉而生存下來，而脖子短的長頸鹿因為不能獲得更多的食物而餓死，這種基因突變導致脖子長的長頸鹿能夠生存下來並繁衍下一代。

而拉馬克主義認為，長頸鹿的祖先原本是短頸的，但是為了要吃到高樹上的葉子經常伸長脖子和前腿，就使得頸和前肢逐漸變得越來越長，越來越發達，並且這些後天積累的「獲得的性狀」能夠遺傳給後代，通過遺傳而演化為現在的長頸鹿。

由於歷史的局限，在過去大量實驗的驗證下，孟德爾定律被證實，達爾文的學說逐漸獲得了更多的優勢，達爾文主義長期佔據著生物學的主流。

科學家魏斯曼曾經做過一個實驗：將雌、雄的老鼠尾巴都切斷後，再讓其互相交配來產生子代，而生出來子代依舊都是有尾巴的。再將切掉尾巴的子代互相交配，產生的下一代也仍然有尾巴。他一直這樣重複進行至第二十一代，子代仍然是有尾巴的，拉馬克的學說就此在歷史上被推翻了。

由於基因在拉馬克的學說中不作為參考因素，不符合現代的遺傳學，因此在近代科學界中，拉馬克的學說普遍不被接受，長久以來科學家一直用達爾文主義來解釋生物的演化。

隨著現代科學發展，分子生物學的知識和技術手段日漸成熟，人們藉此揭示出了遺傳的基本規律，那就是遺傳信息的複製、轉錄、翻譯，不同的基因序列會決定不同的結果。我們生命的特徵和意義都存在於基因序列中。比如黑頭髮、黑眼睛與金髮碧眼，都是基因決定的。如果基因不發生變化，那麼後代都會穩定地遺傳下去。

然而，隨著近十幾年來微觀科學與技術手段的不斷發展，最近越來越多的科學研究證明，後天性狀可以繼承。最有名的例子是：二次世界大戰時期的荷蘭出現大面積饑荒事件。長期處於飢餓狀態的母親生出的孩子更容易出現肥胖和其它代謝紊亂疾病，這一患病風險延續到了他們的後代。控制實驗也表明了類似的結果，比如有兩篇論文講了兩個實驗涉及到表觀遺傳學：一個實驗介紹了用高脂肪食物餵養雄鼠，其雌性後代會變胖；另一實驗表明通過干預老鼠體內膽固醇的新陳代謝，其後代體內的膽固醇含量也會隨之發生改變。更早期的實驗中，當雌性老鼠食用了某些特定的食物後，會改變其後代的毛色。在一些低等動物和植物中，這類例子也比較多。在這些案例中，基因都沒有變化，但性狀遺傳給了下一代，也就是都具有獲得性的遺傳，後天獲得的特徵可以不改變基因密碼而傳給後代。

就本質而言，拉馬克主義與達爾文主義的尖銳對立，是因為歷史的局限而導致的，如果他們生活在現代，也許都會認識到，遺傳是受多種因素影響的。

有一種叫做柳穿魚的普通花卉，大多數是以鏡面對稱的方式長著白色的花瓣，但是，一些柳穿魚的花則長著黃色的五角星，柳穿魚將「黃色」和「五角星」這兩種性狀傳遞給它們的後代，但這種差異並不是DNA變化導致的，而是因為DNA的甲基化遺傳引起的。

2012年2月，科學家在加拿大永久凍土區域的金礦中發現了3萬年前古野牛的骨骸，其骨骼竟然還保留了部分DNA，研究者們將這些DNA提取出來，發現由於曾經的末次冰期的氣候變化非常劇烈，動物們需要承受著強烈的自然選擇壓力，它們需要迅速地做出反應才能生存下來，最終使野牛發生了表觀上的改變，並幫助它們適應劇烈變化的氣候，這種DNA甲基化現象可能持續影響數代。

2010年，斯坦福大學的安妮·布魯內特(Anne Brunet)的小組與哈佛大學的研究者共同發表於《自然》(Nature)雜誌網路版上的研究表明：有一種生長於泥土中的線蟲，當其發生突變而成為長壽線蟲後，即使其後代沒能從基因水平上繼承這一長壽突變，也會將這一長壽特質遺傳給下一代。

科研人員很多時候以線蟲為研究長壽基因的對象，這是一種研究細胞衰老和長壽最常用的模式生物之一，因為科學家對其相關的基因和蛋白功能了如指掌，而且，線蟲壽命有限，一般就是兩三周，倘若有基因或其他因素影響到線蟲的壽命，能隨時觀察到。

他們發現，一種名為ASH－2的蛋白質在老化基因的開放與關閉中扮演著很重要的角色，當有這種蛋白存在時，基因會呈現一種開放表達增強的狀態，這時線蟲會正常衰老死亡。而缺乏這種蛋白時，基因就是一個封閉結構，抑製表達，從而延長壽命。實驗觀察結果表明，當線蟲缺乏ASH－2時，其壽命平均可延長30%。

科研人員通過基因改造阻斷了ASH－2的形成，再次證實延長了線蟲的壽命，然後繼續培育這個長壽線蟲的後代，跟蹤觀察後代及再後代的壽命。結果發現，雖然後代線蟲的基因都已恢復正常，但是它們的老化基因都沒有被正常表達，這些線蟲保留了祖先的長壽記憶，仍舊都是長壽，這一現象一直持續到第四代。

以往科學家們都是通過改變基因來影響線蟲的壽命，而這次的研究結果表明僅通過改變基因外的蛋白就可以開關基因功能，這種長壽也可以遺傳。

表觀如何得以遺傳

由於發現了一些與經典孟德爾遺傳學遺傳法則不相符的許多生命現象，表觀遺傳學在20世紀80年代逐漸興起。

一般認為，倘若外界影響了基因，比如常見的甲基化，就是在DNA上某些特定部位結合了甲基，就稱為表觀基因標記，到受精時，生殖細胞的表觀基因標記都會被抹掉，甲基化過的基因會完全去甲基化。所以，通常情況下，這種標記不會傳遞下去，即先輩獲得的性狀，後代無法繼承，但是現在，以上實驗證明了傳統認識的錯誤。斯坦福的布魯內特推測，線蟲實驗的長壽遺傳有可能是細胞通過某種RNA分子或代謝產物對錶觀遺傳學修飾的位置進行了標記，從而讓後代記住這一優良特性。雖然具體的分子機制則仍舊讓人難以理解，基因序列沒有變化，但從DNA到蛋白質，中間卻有太多的步驟可以對基因的最後表達有調控作用，比如DNA甲基化，還有乙醯化，小RNA在其中調控，組蛋白的修飾，染色質的重塑等，這些都會對最終的結果產生影響。

DNA甲基化

甲基化修飾是指一種甲基分子（-CH₃），它就像一個帽子：帶上它，基因關閉；摘掉它，基因表達——被分別稱為甲基化和去甲基化。這些甲基有些直接附著在DNA上面，有些則附著在某些和DNA糾結在一起的組蛋白上。當機體不希望某些基因信息被讀取時，基因的「啟動子」DNA就被戴上很多甲基帽，使得基因無法從那裡讀取，啟動功能。

據報道，7歲的奧利維亞和伊莎貝拉來自英國，她們是一對同卵雙胞胎，擁有近乎完全一致的遺傳信息。不過，兩個女孩的命運卻迥然相異。2005年6月，1歲的奧利維亞忽然高燒不退，血液化驗的結果證明奧利維亞患上了急性白血病。因為是同卵雙胞胎，醫生連忙對伊莎貝拉也進行了檢查，但她一切正常。經過治療，小奧利維亞最終恢復健康，但醫學專家們卻遇到了一個困惑多年的難題：既然是同卵雙胞胎，為何奧利維亞不斷生病，而伊莎貝拉卻非常健康呢？這些經典遺傳學無法解釋的現象，表觀遺傳學有望部分揭示其中的秘密。

2009年，西班牙和美國的科學家在全基因組水平分析了一對同卵雙胞胎的基因組：他們一方正常，一方患有紅斑狼瘡。研究人員發現，雖為同卵雙胞胎，但雙方個體對遺傳信息的「表觀修飾」存在大量差異——DNA甲基化水平不同。

同樣是2009年，來自拉什大學醫學中心和塔夫茨大學醫學院的科學家對一些小鼠的遺傳基因進行人為突變，使其智力出現缺陷。當這些小鼠被置於豐富環境中進行刺激，並頻繁與各物體接觸兩周後，它們原有的記憶力缺陷得到了恢復。數月後，小鼠們受孕，雖然它們的後代也出現了和母親同樣的基因缺陷，但沒有接觸複雜豐富的環境並受刺激的新生小鼠絲毫沒有記憶力缺陷的跡象。

因此，即使攜帶遺傳信息完全一樣的兩個個體，由於表達修飾上的差異，也可能會表現出完全不同的性狀。

2001年，科學家們做了這樣一個實驗。研究者採用遺傳背景完全相同的小鼠作為實驗對象,來觀察其皮毛的顏色，結果發現，小鼠們皮毛的顏色各種各樣，從黃色到各種雜合色都有。讓人意外的是，皮毛顏色的不同竟取決於它們從母鼠中繼承的「agouti基因」甲基化程度的高低。

人們此前認為，在形成精子和胚胎前的植入階段，細胞中的DNA甲基化幾乎會完全重新洗牌，也就是說「基因修飾」沒有遺傳下去的可能。然而近些年來，越來越多的研究證明，某些甲基化是可以遺傳的。

2007年，日本科學家在小鼠中發現，一種稱為stella的蛋白質能夠有效保護卵子中某些基因的甲基化修飾，並傳給下一代。研究人員還得出結論，基因的甲基化或者去甲基化，和環境的改變息息相關。也就是說，雖然遺傳信息沒有改變，但環境的改變、豐富的經歷、甚至不良的習慣，都有可能遺傳給後代。

核小體組蛋白甲基化

然而，對基因的表觀修飾是通過怎樣的方式進行，它們又是靠怎樣的機制遺傳下去的呢？這一切曾經是個謎。不過近年來，科學家們已經獲得了一些信息。

英國倫敦國王學院與韋爾科姆基金會桑格研究所合作，發現了一組「老化」基因，這組基因的開關是由表觀遺傳因素的作用所控制的，相關論文發表在《公共科學圖書館?遺傳學》上。

該研究調查了兩組雙胞胎，一組是172對年齡在32歲到80歲之間的雙胞胎，另一組為44對年齡在22歲到61歲之間的雙胞胎。他們對雙胞胎進行了表觀遺傳基因組範圍關聯掃描，分析其DNA中的表觀遺傳變化和人逐漸衰老之間的關係，發現了490個與衰老相關的表觀遺傳變化。通過分析老化特徵中的DNA修飾，還發現了4個基因的表觀遺傳變化與膽固醇、肺功能和生育壽命有關。而且，在490個與老化有關的表觀遺傳變化中，許多也出現在更年輕的雙胞胎組。研究人員解釋說，表觀遺傳過程受到飲食、生活方式、環境等外部因素的影響。這些結果表明，在人的一生中，老化造成的外表改變隨年齡增長而自然發生，這在生命早期就開始了，並持續終生。

中國科學院北京基因組研究所劉江研究員和他的團隊以斑馬魚為模型，發現了子代選擇性地繼承父代而拋棄母代的DNA甲基化圖譜，相關研究成果被國際學術期刊Cell（《細胞》）於2013年5月9日以封面文章的形式特別報道。斑馬魚與人類的基因相似度高達85%，研究結果證明，在斑馬魚中除了DNA可以從父母傳遞到子代外，精子的DNA甲基化圖譜也可以被遺傳到子代中，並用於指導胚胎早期發育。

2011年，哥倫比亞大學醫學中心(CUMC)的研究人員通過RNAi（RNA干擾）首次發現，獲得性性狀可以通過小RNA進行遺傳，而不需要基因組DNA的參與。該發現表明，長期以來遭受人們誤解的生物學家拉馬克的觀點並非完全錯誤。該研究報告的主要作者教授烏迪德·瑞卡維說：「在我們的最新研究中，具有抗病毒病免疫力的線蟲能將這一性狀傳給它們連續幾代的後代。免疫力通過RNA干擾的方式遺傳，而不依賴於DNA遺傳。」

為了進一步研究這些現象，CUMC的研究人員轉向研究線蟲，因為線蟲有不尋常的利用RNAi抗病毒的能力。在目前的研究中，研究人員利用一種昆蟲病毒感染線蟲，發現線蟲通過RNA干擾的方式沉默病毒基因，從而獲得了針對這一病毒的免疫力。當它們的後代被暴露在病毒中，它們仍然能夠用免疫力保護自己。科學家利用一年的時間裡對超過100代的線蟲進行了追蹤，發現它們持續地保有了這一免疫特性。由於實驗被設計成使線蟲無法通過基因突變獲得抗病毒性，研究人員由此得出結論，抵禦病毒的能力是通過某些病毒RNA分子而非DNA儲存的形式傳遞到後代體細胞中的。

CUMC研究團隊現正研究其它性狀是否也通過小RNA繼承。瑞卡維博士說：「在一項實驗中，我們在培養皿里複製了荷蘭饑荒事件，我們讓蠕蟲挨餓，由於飢餓，我們看到小RNA分子正在生成，並傳遞給了下一代。」 通過這些研究，CUMC的研究人員驗證了拉馬克的「獲得性遺傳」理論。

「表觀遺傳」使獲得性遺傳再次引起科學家的興奮，短短數年，它已成為生命科學界最熱門領域之一。科學家發現人類不僅有作為遺傳物質的基因組信息，還有一套管理、調控、修飾基因組的密碼指令系統。不同的個體，指令系統也不同。另外，這套密碼指令還能在特定環境下發生改變。

只是表觀遺傳的印記在沒有環境壓力的數代之後，可能會漸漸丟失。事實上，以DNA為載體的中心法則仍是傳遞遺傳信息的主要方式，而表觀遺傳可作為它重要的有益補充，而非你死我活地針鋒相對。

摘自《生命藏在量子中》（白山出版社，2015年3月），《賽先生》獲作者授權發表，發表時經再次修訂補充。

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