喂！好好的一個蛋白質，怎麼說跳槽就跳槽啦！

作者：鬼谷藏龍

編輯：Calo

「造就這星球上全部有知覺的生命，演化只用了一種工具：錯誤。」

——羅伯特·福特《西部世界》

電視劇《西部世界》中的主要人物在談及演化時強調了「錯誤」的力量。圖片來源：magicalquote.com

在近期大熱的電視劇《西部世界》中，西部世界創始人福特用這句話強調了「錯誤」的作用。演化的工具箱里顯然不只有「錯誤」，但這些錯誤帶來的能被後代繼承的「變化」，的確是讓生命之樹的每個枝椏都燦爛多姿的重要原因——每一次DNA複製都會有極其微小的概率產生一點點錯誤，而這微小的差錯又有微小的可能會讓其後代產生些許不同，這種不同又有極其微小的概率讓它們稍微能夠更好地適應環境。

億萬斯年，點點微小差錯的積累，借著環境選擇之手的引導，讓自然界所有生物都處在永恆不斷地變化發展之中。

在變化中奔向複雜

儘管演化理論如此優美，並不是所有人都認同生命的種種神奇都能夠由無數細微的變化造就。在各種對演化思想的質疑中，有一種觀點認為，人們所觀察到的一些生物化學結構，需要由許多不同部件彼此協作才能保證其基本功能的行使。這些結構太過複雜，因此無法用演化機制來解釋。美國生化學家邁克爾·貝希（Michael Behe）把這種情況稱為「不可還原的複雜性」（Irreducible complexity），並主張這樣的複雜性可能是「智能設計」的產物。

被當做具有「不可還原的複雜性」的典型結構是眼睛。我們的眼睛確實是極其複雜的器官，直覺上很難想像大自然會分別演化出晶狀體、虹膜、視網膜等等單獨拿出來沒什麼用的結構來配合成一個這麼「有用」的眼睛。但這樣的複雜性，真的「不可還原」嗎？

在研究了大量化石和基因之後，瑞士發育學家沃爾特·雅各布·格林（Walter Jakob Gehring）發現儘管自然界不同物種的眼睛千變萬化，但是總能通過積累各種細小的改變演化而來。

目前研究最透徹的一種眼睛演化路線是這樣的：原始生物中具有感光能力的蛋白質富集到某些細胞當中，讓這些細胞成了最早的感光細胞。當感光細胞附近又加上一個能夠阻擋光線的擋光細胞時，由於擋光細胞可以擋住某幾個方向來的光線，感光細胞就可以大概知道光線照來的方向——這種只有兩個細胞的結構。就是原始的眼睛（眼點）了，而現在所有動物的眼睛，都是由這種結構演變而來的。

在某些現生渦蟲（比如上圖所示的Polycelis auricularia）當中還能看到這種最原始的眼點，其結構非常簡單，一個眼點實際上只包含兩個細胞，一個色素細胞（擋光），一個光受體細胞（感光）。

接下來，發生在感光細胞中的變化讓這種眼的功能變得更細緻：感光細胞聚集成感光層並向內凹陷，就能更加精確地知道光線射來的方向。這凹陷的極致，就是感光層內陷成一個腔體，周圍完全被擋光層覆蓋，只留下一個小孔與外界連通——這個小孔，便成了瞳孔的雛形。

但是這樣的空腔狀眼睛非常脆弱還容易掉進髒東西，於是眼睛內就出現了一些細胞分泌的粘液作為填充物，再後來變成了某種透明的膠狀物，而這些膠狀物隨著時間積累又分化出了晶狀體和虹膜等結構。

眼睛的一種演化路線（見於章魚等頭足類動物）：a一層色素細胞，一層感光細胞；b眼點凹陷，強化對光線來源方向的感知；c 感光層內陷成腔體，外圍完全被擋光層覆蓋，只留下小孔與外界相通，能夠「小孔成像」產生粗略視覺；d 眼睛外圍覆蓋上透明外皮層，保護眼睛不受侵害，之後透明外皮中不斷分化產生晶狀體、瞳孔等結構。人類的眼睛演化路線與此並不完全相同，但是最終都產生了相似的結構。圖片來源：Remember the dot/Wikipedia

格林教授不但釐清了眼睛演化的歷程，更是通過分子生物學技術將每一點演化所需的基因突變數量都給算了出來。事實上，有演化動力學研究表明，在環境選擇壓力比較強的情況下，從最原始的眼點演化成功能完善的眼睛，保守的估計也只需幾十萬年時間。像我們雙眼那樣的複雜精緻，的確可以被「還原」到非常簡單。

蛋白質的華麗轉身

有人或許還會追問，智慧生物可以在洞悉自然原理後設計出某種裝置的核心部件（譬如機械鐘錶的發條），那麼眼睛最核心的部件，感光細胞當中的感光蛋白最早是從哪裡來的呢？

最有可能的答案是「借用」。簡單來說就，是某種本來作其它用途的基因因為偶然的突變而轉變功能（由於同一個基因在細胞基因組內可以有很多備份，因此這未必意味著原有功能的喪失）。作為光敏蛋白為我們所熟知的視紫質原本可能另有作用。

自然界最經典的「借用」案例大概得屬細菌的鞭毛。它們可以像螺旋槳一樣飛速旋轉，從而讓細菌能夠四處遊動。

一個細菌鞭毛的模式圖，其中包含一個精巧的動力旋轉系統。圖片來源：Nature Reviews Microbiology 4, 784-790 doi:10.1038/nrmicro1493

這厲害的功能，基本依賴於細菌鞭毛基部那個由數十種蛋白質構成的精巧的「分子電動機」。少了其中任何一種蛋白質組分，這個「分子電動機」都無法正常運轉，而這些蛋白質離開了這個系統貌似也沒了作用——因此，在生物學家揭開鞭毛的分子生物學本質之前，鞭毛也一度成為「不可還原複雜性」的另一個「例證」。但是科學家們很快發現，鞭毛中這個「分子電動機」其實是由一種「分子發電機」改造而來的，那便是每種需氧生物都必備的ATP合成酶。

一個運作中的ATP合成酶示意圖。圖片來源：blogspot.com

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在細胞中，許多蛋白質都有這樣一顆說跳槽就能跳槽的心，一點改變，多種可能。儘管鞭毛這一結構令人驚嘆，但它的核心蛋白這種從「發電機」變成「電動機」的轉身還算不上多華麗，畢竟這兩者本來就差不多嘛。那麼，蛋白質的潛能可以被發揮到什麼地步？不久前，一項發表在《科學》雜誌上的研究，讓不少人又一次被生命的變化驚得瞠目結舌。

讓生命將硅碳相連

在實驗中，美國科學家弗朗西斯·阿諾德（Frances H. Arnold）等人盯上了來自海洋紅嗜熱鹽菌（Rhodothermus marinus）的細胞色素c（Cytochrome c）。細胞色素c廣泛分布於幾乎所有需要氧氣的生物體內（各種生物的細胞色素c略有差異），是細胞有氧呼吸過程中不可或缺的一種功能蛋白。它的本職工作是充當一個「電子搬運工」，幫助有機物氧化反應的有序進行。

海洋紅嗜熱鹽菌的細胞色素c結構。這個看上去平平無奇的蛋白質將在人工選擇下表露令人震驚的功能。圖片來源：FRANCES ARNOLD LAB/CALTECH

科學家認為，正是由於細胞色素c能參與到許多氧化反應當中去，所以這種蛋白質其實完全可以充當一種酶，去促進多種化學鍵的形成。他們通過酶動力學計算後發現，細胞色素c甚至有潛力催化形成一種在生物體內從未出現過的化學鍵——碳-硅鍵。

硅元素與構成生物體的主體元素碳性質相似，不過由於自然界的硅大多以硅酸鹽的形式存在，生物體一般無法利用，所以硅對絕大多數生物而言是沒什麼用的。

科學家根據酶動力學的測算，為這種細胞色素c「量身定製」了一類含有硅元素的有機小分子底物，果然發現很多物種的細胞色素c都能催化這些小分子形成碳-硅鍵，而海洋紅嗜熱鹽菌的細胞色素c是其中的佼佼者。

不過這畢竟不是細胞色素c的本職工作，所以事實上它的工作完成得也不算太出色，還容易將底物催化產生出各種亂七八糟的副產物。那麼，需要多少基因突變才能將這麼一種「業餘酶」轉職成「專業酶」呢？

三個點突變

只需改變海洋紅嗜熱鹽菌細胞色素c當中的三個氨基酸就足以完成這一轉化，而且其中每一個點突變都能增強催化碳-硅鍵的專一性。經歷這些變化之後，它們能在室溫環境下催化產生碳-硅鍵。

海洋紅嗜熱鹽菌細胞色素c當中三個可以增強催化碳-硅鍵專一性的點突變，三個點都突變以後，這種「酶」的催化碳-硅鍵生成的專一性就達到了非常高的水平。

相比之下，人工合成碳-硅鍵的過程不但成本相對高昂，而且涉及有毒試劑，還會形成各式各樣的副產物。藉助自然的變化之力，人們在化工生產方面可能獲得更驚人的發展——生命用了幾十億年的「實驗」得到了數以萬億計的酶，而這其中的每一種，都或許可以通過簡單的改造而變得更穩定，更高效乃至開發出全新的功能。

阿諾德的實驗也引人遐思：這些研究結果或許意味著，如果某一天環境劇變，地球上突然多出了很多有機硅小分子，那麼也許只需要幾年時間，海洋紅嗜熱鹽菌就能演化出利用硅的能力——而工具是一種功能原本與此八竿子打不著的蛋白質。「這研究展示了自然適應新挑戰的速度之快。」阿諾德說。

論文的第三作者陳凱（左）和第一作者Sek Bik Jennifer Kan博士（右）在實驗室。圖片來源：Caltech

可見，從來就沒什麼「天不變，道亦不變」。這些DNA編碼的催化機器能夠在變化和選擇之中不斷為自己賦予新的價值——事實上它們也的確這麼做了，從而讓演化之樹繁榮生長，最終鑄就精彩紛呈的生物界。可以想像，也許最早的時候，最原始的生命體中總共也只有那麼極少的若干種生命必不可少的基因，但經過這幾種基因不斷的自我複製與改變，經過無數時間，那點點滴滴的改變才終於衍生出世間的精彩紛呈。

或許真的只有變化，才是生命世界唯一不變的鐵律吧。