赌神之神2:耐辐射奇球菌的起源与进化的“主动进化说”

耐辐射奇球菌的起源与进化的“主动进化说”
 
日期：2005年5月2日 作者： 人气： 86
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1956年美国科学家Arthur Anderson 博士注目于辐射灭菌后的肉罐头而创造了一个惊人的发现。当用可杀死其周围的其它微生物的强烈的射线照射这种生长在肉上的细菌时，其外部形态不受任何影响。这种后来被取名为耐辐射奇球菌Deinococcus radiodurans微生物在10000拉德（rad）也就是1000倍于广岛和长崎原子弹爆炸的辐射剂量下，这个菌只是放慢其生长速度，在17500拉德下也有35%的生存率，在30000拉德下还有些存活。后续的研究表明，DNA的双裂断裂是辐射损伤的结果,而耐辐射球菌的这种令人难以置信的辐射抗性的秘密在于它修复DNA双链断裂的特殊能力。
该细菌的分布十分广泛。1958年，加拿大的科学家在当地一家医院的空气中捕获到这种细菌；5年后，美国人在鳕鱼刺身中也发现了它的踪迹；接着日本的科研人员在一些温泉和大象的粪便中也寻找到了这种细菌。2000年，在常年冰雪覆盖的南极，人们也与它不期而遇。
由于其神奇的超强辐射抗性，这个细菌一直备受科学家的关注。1999年美国基因组研究所在《科学》杂志上公布了它的基因组测序结果：它的基因组共编码3187个蛋白质，其中有24％的蛋白是其独有，但功能不明。尤其是关于它的起源与进化更是众说纷纭。到目前为止国际上广为流传的有两种假说。基于地球上可能不存在如此强烈的辐射环境但不乏极端干燥环境，长期从事该细菌的干燥耐性和DNA修复机制的美国路易斯安娜州立大学的John Battista博士认为，耐辐射奇球菌起源于地球，它在漫长的干旱抗性的进化过程中形成了其自身的强大的DNA修复系统，超强的辐射抗性是该细菌偶然地利用了其DNA修复机制，是一种附属的能力，即所谓的“协同进化说”。俄罗斯空间生物学研究中心的AnatoliPavlov博士在2003年欧洲地球物理学会年会上发表了“火星来客说”，认为地球曾经多次受到火星生物入侵，耐辐射球菌可能起源于具有强烈电离辐射的火星，随着陨石落到了地球。Pavlov的假说获得了包括美国宇航局（NASA）专家在内的相当一部分笃信“生命起源于地外”者的支持。
尽管人类为探索地外的太空生命，特别是火星生命进行了不懈的努力，但截至今日人们可以展现的唯一的证据还仅仅停留在曾经在火星的陨石上分离到的几种简单的氨基酸。笔者认为，把耐辐射奇球菌看成是“火星来客”的假说有些草率；笔者虽然认同“协同进化说”的前半部分—该细菌起源于地球，但觉得把“该细菌的超强的辐射抗性归结为是该细菌偶然地利用了其在干燥抗性的进化过程中获得的DNA修复机制”的说法有些牵强，值得商榷。的确，目前地球上辐射最强的地方是在巴西Guarapari钍矿周围，而辐射剂量只有0.175拉德，但我们不能排除地球的早期曾经暴露在强辐射环境中。史前的地球没有或只有很少大气，而且很热，电离辐射很强；另外，地球也曾经历过多次诸如强烈的太阳黑子爆发等宇宙事件。白垩纪恐龙灭绝就是一个佐证。因此，笔者提倡耐辐射奇球菌起源与进化的“主动进化说”。该假说首先支持地球的进化过程中可能曾在史前有过强电离辐射环境的假说，认为，耐辐射奇球菌起源于地球；其超强的辐射抗性,尤其是其强大的双链断裂DNA修复能力，是在这一过程中为适应环境而主动形成的，其进化的动力可能是被强电离辐射击得粉碎的细菌的基因组发生重组，部分重组基因编码的特有蛋白或酶构成了其DNA损伤修复的特有机制。
此假说的第一个证据便是耐辐射奇球菌极广的分布性。到目前为止，从北美、欧洲、亚洲到南极，从空气、土壤、温泉到极地冰雪，均发现了它的踪影。如果是天外来客，如何能像天女散花一般撒遍整个地球？或许它会很容易地附着在某种物体身上或随着大气的气流迁移？
支持该假说的第二个证据是该细菌的功能基因组总体上与大多地球微生物极其相似。基因组序列分析结果显示， 耐辐射奇球菌基因组编码的大约75％的蛋白在其他原核生物中有同源物(Science, 1999)。人们至今对地外生命的了解几乎还是一篇空白，即便认为他们的确存在，但对他们的遗传信息的载体以及遗传密码仍无从说起，也是DNA吗？也与地球生命一样使用了同样的三联密码子吗？宇宙空间广袤无垠，不同的地方所处的环境也千差万别，地外生命的起源与进化不一定非得遵循与地球生命同样的途径。因而，一个与地球生命的基因组有着75％以上的同源性的生物称为“火星来客”是否有点“不尽人意”。最近发表在《自然•生物技术》杂志发表的一篇文章称，耐辐射奇球菌和极端嗜热菌Thermusthermophilus的种属关系更为接近（Nature Biotechnology, 2004）。另外，美国健康研究院（NIH）国家医学实验室的库奥宁（Eugene Koonin）教授实验室通过生物信息的多种研究方法也证明，耐辐射奇球菌和诸如产甲烷球菌、放线菌、嗜热菌、芽孢杆菌等其他生活在地球上的古菌都存在着进化上的千丝万缕的联系。
支持该假说的第三个证据是该细菌拥有大量编码多功能结构域蛋白的特有基因。通过比较基因组学研究发现，该细菌的基因组内有相当一些基因编码了一些它本身特有的蛋白，其特征是有三个或更多的功能结构域（Domain，蛋白质的功能单位）。我们认为，这些蛋白的来源极有可能是被强电离辐射击得粉碎的细菌的基因组发生重组，部分重组基因编码的特有蛋白或酶，它们或者是其中的一部分在其强大的DNA损伤修复的机制中起着关键的作用。如我们最近鉴定的名为“促进DNA修复多功能蛋白诱导子（PprI）”就有可能其中的一例（Biochem. Biophy. Res. Comm., 2003）。它是由3个在其它生物体内都普遍存在的功能结构域（Domain，蛋白质功能单位）拼接而成，但相同的结构域的组合，仅在这种细菌中存在。我们已经证明是DNA修复的开关蛋白。如果破坏其中的一个结构域，耐辐射奇球菌便失去了神秘的光环：它的抗辐射的能力将下降至原来的千万分之一。另外，该细菌基因组中还有大量编码功能不明的小蛋白的基因。
作为一种假说，我们的“主动进化说”虽然比“火星来客说”和“协同进化说”更为合理，但还需要进一步验证。为了验证“主动进化说”，必须在实验室“重现”耐辐射奇球菌的进化过程。我们已经开始了验证这一假说的关键实验，其基本思路思路是：先选取一些不抗辐射的细菌作为起始材料（因为细菌容易发生突变），然后反复地高剂量的辐射筛选，经过几十到几百代的筛选，其辐射抗性可以得到“锻炼”，然后看看最终的产物在基因和蛋白上究竟发生了什么变化（见附图）。这项实验至少需要一年的时间，也许更长。但我们希望能够在明年的国际生命起源大会上（将于2005年6月19日在清华大学举行）展示更多的证据。 （出处：《科学中国人》）