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概率太渺茫,所以不可能吗

DNA数字语言的阶梯式调整,为视蛋白分子渐进式无向自然形成提供了有力的证据,但有人从数学上提出了不同的意见。视蛋白分子由来自恰当基因指定序列中的数百种氨基酸构成。要想通过试错,让视蛋白产生具有光检测特性的恰当序列,要么得花很长的时间,要么得找一个足够大的实验室。假如现实中存在20种类型的氨基酸,则基因链里含有100个氨基酸的蛋白分子,可以存在于10的130次方种不同的序列里。这个数字远远大于宇宙中的原子数,甚至远远大于宇宙大爆炸以来流逝的纳秒数。故此,不管自然选择调动多少种生物,尝试多长时间,从零开始得出视蛋白分子的设计,在道理上是不可能的。再说了,视蛋白只是身体内数万种蛋白质里的一种。

这样,我是朝着卢克莱修式偏离去了吗?难道我要被迫承认,蛋白质的潜在组合库浩大无边,进化不可能找到合适的组合?远非如此。我们知道,人的发明创造很少是从无到有开始设计的,相反,它是从一种技术跳转到“邻近有可能”的技术上,对现有功能进行重组。因此,它迈出的是渐进式的小步子。我们知道,自然选择同样如此。所以,数学概率是误导。借用一个常用的比喻来说,你并不是在废品收购站用老式双翼飞机组装波音747,而是为现有设计再增加一枚铆钉。科学界最近的一项重大发现,大幅简化了自然选择的任务。

几年前,在苏黎世的一个实验室里,安德烈亚斯·瓦格纳(Andreas Wagner)让学生若昂·罗德里格斯(João Rodriguez)用一套巨大的计算机集群运算出不同的代谢网络图,看看每次只改变一步能走多远。他选择了一种常见肠道细菌的葡萄糖系统,他的任务是改变整个代谢链中的一环,使之仍能运作,也即该细菌仍然可以从这种糖中制造出60多种身体成分。他的尝试能进行到何种程度呢?除肠道细菌之外的物种里存在数千种不同的葡萄糖通路。它们中有多少种仅相隔一步呢?罗德里格斯发现,在第一次尝试中,他只改变了一步,就得到了1000种不同代谢途径库里的80%,而且,改变这一步所得的结果均是可行的代谢通路。“罗德里格斯给我答案的时候,我的第一反应是不相信”,瓦格纳写道。“因为担心这可能纯属侥幸,我让罗德里格斯进行更多次的随机漫步,大概进行了1000多次,每一次都保留代谢意义,每一次都尽量走远,每一次都选择不同的方向。”结果还是一样。

瓦格纳和罗德里格斯偶然发现了细菌(和人类)生物化学内置的大规模冗余。用“孟德尔图书馆”的比喻来说,在一栋储存着所有潜在可行基因序列(数量庞大到难以想象)的虚拟建筑里,瓦格纳发现了一种惊人的模式。“代谢图书馆密密麻麻地陈列着以不同方式讲述相同故事的图书。”他写道。“无数有着相同含义的代谢文本,无数倍地提高了找到其中一本的概率。更妙的是,演变不像一个随随便便的浏览者那样探索代谢图书馆。它使用众包模式,让数量众多的生物体涌入图书馆,寻找新文本。”生物体就是浏览孟德尔图书馆、寻找合理文本的读者群体。

瓦格纳指出,生物创新必须既保守又渐进,因为在它重新设计身体的过程中,它绝不能产生没有功能的生物体。在数百万年间,把微生物变成哺乳动物,有点像一边重新设计飞机,一边飞越大西洋。比如,植物和昆虫的球蛋白分子三维形状大体相同,功能也大体相同,但两者的氨基酸序列有90%的不同。 3BJKWkGr2mHlLuy7jaYytIDeOmUmZmxDqo0JjwTgT5Iml3irhpXfj+xlCrQTH4DA

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