從恐龍說開去
——DNA 的生與死

□文/趙言昌

供圖/視覺中國

要說到2022 年票房火爆的那些電影，《侏羅紀(jì)世界3》一定占有一席之地。自從6 月10 日在國內(nèi)影院上映以來，《侏羅紀(jì)世界3》便表現(xiàn)亮眼，成為暑期檔不可小覷的一股力量，票房最終突破10 億元。

作為“侏羅紀(jì)”系列的完結(jié)篇，《侏羅紀(jì)世界3》的陣容比以往更加強(qiáng)大。除了“老朋友”雷龍、滄龍、霸王龍，還出現(xiàn)了身披羽毛的火盜龍、頑皮可愛的迅猛龍寶寶?？铸堃恢笔莻€讓人激動的話題，無怪乎，又有人開始問：“能不能復(fù)活恐龍呢？”

DNA 的死亡

復(fù)活恐龍的想法很誘人，只是很難找到恐龍的DNA。

說起生物學(xué)家，你可能很自然地想到一群穿著白大褂、搖晃玻璃管的人，其實(shí)生物學(xué)家也經(jīng)常“動粗”。2012 年，丹麥科學(xué)家摩頓·艾倫多夫領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就動起了電鉆——在對158 根恐鳥骨骼進(jìn)行取樣和分析之后，他們發(fā)現(xiàn)，DNA 的半衰期是521 年。

知識鏈接

DNA分子由兩條長鏈組成，看上去像旋轉(zhuǎn)的樓梯一樣互相盤繞，構(gòu)成了規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)。DNA 在蛋白質(zhì)的幫助下多次盤繞、折疊，組成了染色體。

生物課本上說，DNA 看上去像是旋轉(zhuǎn)的樓梯。其實(shí)，DNA 和樓梯還有一個共同之處：它們都由更為基本的材料構(gòu)成。樓梯由鋼鐵、玻璃、石頭等修建，而DNA 的基本組成單位叫作脫氧核苷酸。依據(jù)攜帶堿基的不同，又可以將脫氧核苷酸分為4 類：帶腺嘌呤（A）的、帶鳥嘌呤（G）的、帶胸腺嘧啶（T）的、帶胞嘧啶（C）的。鋼鐵、玻璃、石頭的組合方式，決定著樓梯的形態(tài)；與此類似，DNA 攜帶的信息實(shí)質(zhì)上就取決于4 類脫氧核苷酸的排布順序。

核苷酸與核苷酸之間，也需要水泥一樣的黏合劑。具體一點(diǎn)說，要用到兩種力量：一種是分子內(nèi)作用力，比如共價鍵，將核苷酸連接成長鏈；另一種是分子間作用力，比如氫鍵、范德華力，將兩條長鏈連接在一起，形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。

問題在于，這些力量不是永遠(yuǎn)存在的，而是受到各種因素的影響，比如水分多寡、紫外線強(qiáng)弱、蛋白質(zhì)是否“聽話”、周圍有沒有細(xì)菌等。健康的生物，內(nèi)在環(huán)境較為穩(wěn)定、有序。等生命到了盡頭，維持秩序的力量消失，核苷酸與核苷酸之間的連接便漸漸崩壞，DNA 攜帶的遺傳信息也隨之漸漸消失。

每過521 年，核苷酸之間的連接就消失一半。由此推算，最理想的情況下，骨骼中的DNA 大約可以保存150 萬年。恐龍滅絕大致發(fā)生在6 600 萬年前，這意味著，我們幾乎不可能在恐龍化石中找到DNA。

DNA 的工作

那么，能不能在沒有DNA 的情況下復(fù)活恐龍呢？

恐鳥骨骼標(biāo)本

DNA 雙螺旋

你也許會脫口而出：“不可能，因?yàn)镈NA 是生物的遺傳物質(zhì)。”沒錯，除了RNA 病毒、朊粒等特殊例子，絕大多數(shù)生物的遺傳性狀由DNA 決定。那么，到底是怎么決定的？

常言道：“眾口難調(diào)。”拿香菜來說，有人非常喜歡，也有人避之唯恐不及。2012 年的一項(xiàng)研究顯示，這種差異可能來自嗅覺受體。嗅覺受體是一類特殊的蛋白質(zhì)，它們可以與空氣中的氣味分子結(jié)合，進(jìn)而激活神經(jīng)元，讓我們產(chǎn)生特定的感覺。

是“誰”將這些蛋白質(zhì)制造出來的？主要功臣是轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）。tRNA 長得像三葉草，功能則好比叉車，可以將氨基酸運(yùn)到指定的位置，以便組合成蛋白質(zhì)。

又是“誰”告訴tRNA 將氨基酸放到哪里？奧妙在tRNA 的另一頭，上面分布著3 個堿基。前面說到，兩條DNA 長鏈之間存在氫鍵。其實(shí)，氫鍵的結(jié)合發(fā)生在堿基之間。而堿基的結(jié)合，十分專一。比如說，組成DNA 的4 種堿基中，腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）拉手，鳥嘌呤（G）偏愛胞嘧啶（C）。

當(dāng)tRNA 帶著氨基酸游走的時候，很快會遇到一個合格的“指揮者”——信使RNA（mRNA）。mRNA 看起來像是DNA 單鏈，只是核苷酸數(shù)目較少?；蛘呶覀兛梢哉f，mRNA 如同一把縱向切開的梯子。梯子中間的橫檔，便是核苷酸向外伸出的堿基。依靠堿基之間的結(jié)合規(guī)律，mRNA 可以指揮tRNA，將氨基酸放到合適的位置。

堿基配對原則

知識鏈接

血親之間一般具有明顯相似的形態(tài)特征，這種可以遺傳的特征叫作遺傳性狀，由基因（特定核苷酸序列）決定。有的性狀由一對基因決定，有的由多對基因控制，還有的受到先天基因、后天環(huán)境雙重影響。

mRNA 也有4 種堿基：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）。尿嘧啶雖然與胸腺嘧啶有些區(qū)別，在結(jié)合偏好上卻完全一致。因此，DNA 只要將自身的核苷酸排布順序告訴mRNA，便能通過上述機(jī)制指揮蛋白質(zhì)的合成，進(jìn)而利用蛋白質(zhì)調(diào)控各種各樣的生理活動，比如影響我們對食物的感覺。

mRNA 與tRNA

人類的體細(xì)胞中有23 對染色體，其中常染色體22 對，用數(shù)字1～22 表示，性染色體1 對，用XX 或XY 表示。

目前認(rèn)為，11 號染色體上的基因與嗅覺關(guān)系密切。除此之外，它還影響著神經(jīng)的發(fā)育、胰島素的調(diào)節(jié)。神經(jīng)活動決定了我們的喜怒哀樂，而胰島素是能量代謝的重要推手，影響著身體利用營養(yǎng)物質(zhì)的能力。

當(dāng)然，遺傳性狀固然重要，卻不是生活的全部。舉例來說，帶有某些基因的人更容易患上心腦血管疾病，不過，控制飲食、注意運(yùn)動可以在一定程度上抵消基因的影響。至于智力、志趣、性情，就更復(fù)雜了，后天的影響才是決定性因素。

知識鏈接

遺傳信息不是一成不變的，變化的結(jié)果可能有利于生存，也可能不利于生存。運(yùn)用這一原則，我們可以使用物理、化學(xué)刺激引誘植物突變，然后從中選出性狀優(yōu)良的。

DNA 的成長

于是，下一個問題又來了：為什么大多數(shù)生物不約而同地選擇了DNA 呢？遺傳信息大致按照從DNA 到RNA 再到蛋白質(zhì)的順序釋放。為什么要繞這么一個圈子，而不是以蛋白質(zhì)或RNA 為遺傳物質(zhì)呢？

直接用蛋白質(zhì)，恐怕有一點(diǎn)麻煩。拿人類來說，一個細(xì)胞內(nèi)部就可能有數(shù)萬種蛋白質(zhì)，至于我們體內(nèi)一共有多少種蛋白質(zhì)，至今仍然不太清楚。相比之下，組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸只有20 種。利用DNA 記錄氨基酸的組合方式，看起來繞了遠(yuǎn)路，實(shí)際上更為高效。

直接用RNA，則會遇到變異問題。前段時間的新聞里經(jīng)常提到新冠病毒BA.5 毒株，“BA.5”是什么意思呢？可以理解為族譜的編號。為了準(zhǔn)確命名新冠病毒，科學(xué)家們按照基因上的親疏，給它們繪制了“家族樹”。BA.5由B.1.1.529突變而來，后者的父系是B.1.1，B.1.1又是B.1毒株突變的結(jié)果……遺傳信息在傳遞的過程中，難免出現(xiàn)一些變化，這就是為什么新冠病毒出現(xiàn)不到3 年，變種已經(jīng)如此之多。

本文采用時間序列分析方法,通過時間切片將原始連續(xù)數(shù)據(jù)分割成一系列狀態(tài)矩陣,對矩陣可視化,將狀態(tài)矩陣轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的圖像表征數(shù)據(jù)(本文稱為狀態(tài)圖),狀態(tài)圖作為預(yù)測模型的輸入.

DNA 卻穩(wěn)定得多，雙鏈相當(dāng)于雙重保險(xiǎn)。而且DNA 更長，編碼的蛋白質(zhì)更多。其中一些蛋白質(zhì)可以檢查DNA 中的核苷酸排列，假如出現(xiàn)錯誤，又有另一些蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)修復(fù)。因此，平均來說，DNA 每輪復(fù)制中，核苷酸出錯的概率只有十億分之一。

遺傳物質(zhì)的組成

DNA 的誕生

知曉DNA 的優(yōu)秀之后，很容易想到一個問題：最初的DNA，從何而來呢？

首先，早年間的地球上，哪里來的核苷酸？有些學(xué)者認(rèn)為來自隕石。比如20 世紀(jì)60 年代，科學(xué)家們就在隕石中檢測到了腺嘌呤等堿基。也有學(xué)者認(rèn)為，它們自然而然地就出現(xiàn)了。

1953 年，美國學(xué)者斯坦利·米勒搞了一個稀奇古怪的實(shí)驗(yàn)裝置。裝置是封閉的，以免受到外界污染，里面只有一些小分子物質(zhì)，如水、氫氣、甲烷等。按照當(dāng)時的看法，原始海洋的成分也是如此。此外，該裝置還有加熱、放電的部件，用以模擬早期地球上的高溫和閃電。一周之后，他在里面檢測到了許多大分子物質(zhì)，比如氨基酸。

不管來自天外還是自然生成，總之，在某個時刻，地球上出現(xiàn)了包括核苷酸在內(nèi)的大分子物質(zhì)。這就引出了一個新的問題：什么力量讓核苷酸組成了長鏈？2000年前后，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，黏土可以促使核苷酸連接，比如蒙脫石。

蒙脫石你可能沒見過，蒙脫石散多半吃過。拉肚子的時候，醫(yī)生會開這種藥。蒙脫石散看起來像面粉，吃起來有點(diǎn)甜。如果將其放到顯微鏡下，可以看到許多小孔。這些小孔內(nèi)部藏著金屬離子，對人體來說，它們可以吸附細(xì)菌、病毒等有害的物質(zhì)；若是遇到核苷酸，又會起到催化劑的作用。早年間的核苷酸，可能就是在類似機(jī)制下變成了或長或短的鏈條。

接下來，就是進(jìn)化的問題。如果將原始海洋比作一鍋湯，早期的核苷酸、氨基酸就像其中的米粒。核苷酸以隨機(jī)的方式結(jié)合，可能出現(xiàn)毫無意義的核苷酸鏈，也可能恰好像tRNA 那樣掛住氨基酸，甚至可能出現(xiàn)與mRNA 類似的復(fù)雜形態(tài)。不管哪一種，如果附近有游離的核苷酸，它們就可以在一定條件下復(fù)制自身；如果沒有，大不了在時間作用下逐漸消失——為什么要往DNA的方向演化呢？

在早期地球中，必然有一雙負(fù)責(zé)篩選核苷酸鏈的“手”。帶著這樣的想法，有些學(xué)者將目光放到了海底——

大約40 億年前，幽深的海底深處，大地露出了自己的胸膛。在巖漿的驅(qū)使下，冷與熱、酸與堿彼此交織，形成了充滿孔洞的石頭。

米勒和他的實(shí)驗(yàn)裝置

疊層石記錄下了最早的微生物

最早的大分子物質(zhì)，就出現(xiàn)在這些石頭里。依靠分子間或分子內(nèi)的作用力，它們開始了盲目的結(jié)合，演變出各種各樣的形態(tài)。慢慢地，其中的某些核苷酸鏈像mRNA 一樣具備了合成蛋白質(zhì)的能力。蛋白質(zhì)一方面可以修復(fù)錯誤，讓核苷酸變得更穩(wěn)定；另一方面參與物質(zhì)代謝，為核苷酸復(fù)制提供更多原料。于是，當(dāng)它們的子代沿著小孔進(jìn)入其他孔洞時，輕易“擊敗”了那些只知道利用既有物質(zhì)復(fù)制自己的核苷酸鏈。

小行星時不時落到地球上，引起遮天蔽日的塵埃。地球慢慢出現(xiàn)了磁場，它在南北極與太陽風(fēng)交匯，激發(fā)出炫目的極光。核苷酸鏈對此一無所知，只知道盡量忠實(shí)地復(fù)制自己。

第一次復(fù)制，沒有什么特別的事發(fā)生；第二次復(fù)制，仍然沒有什么大的變化……如此堅(jiān)持了5 億年，在35 億年前的某一天，終于出現(xiàn)了第一個單細(xì)胞生物。

結(jié)語

《侏羅紀(jì)公園》里有一句名言：“生命總會找到出路。”DNA 不懂得判斷，只知道不知疲倦地自我復(fù)制。正是這種堪稱悲壯的嘗試，催生了世間萬物。

美國心理學(xué)家馬丁·塞利格曼提出過一個“習(xí)得性無助理論”：將動物放到不可擺脫的困境中，它們會慢慢學(xué)會沮喪，哪怕情況發(fā)生變化，也沒有再次嘗試的勇氣。類似的現(xiàn)象，同樣出現(xiàn)在人類身上。人們會因?yàn)槎啻问?，對運(yùn)動、學(xué)業(yè)乃至家庭生活絕望，打心眼里認(rèn)為不可能，拒絕再試一次。這或許是身為高等動物的代價，我們會根據(jù)既往的經(jīng)歷，決定自己的行為。

也許，這就是了解DNA 的意義：只有暫時跳出自我的界限，才有可能理解生命的偉大。