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家里的电视有二十多年的历史了,突然有一天电视机故障了。作为一个生物学PhD的我打算自己动手修理电视。
首先想到的是电视机主板的的线路图,这样就可以按图索骥。可是事与愿违,说明书早已不知所踪。无奈之下,只能拆开老式的电视机背后的盖板,看到的是密密麻麻的花花绿绿的小零件,我要想办法怎样确定其中某个零件,比如黄色的三角部件的作用?用显微镜观察显然不是一个很好的选择,因为这样只能看到零件的内部结构,却无益于了解它的实际作用。
我想到了一种更粗暴的办法,就是把零件挨个拆下来,看看电视会有什么变化。如果用钳子把零件末端切断时,电视机突然没有声音了,那就说明这个零件与声音有关,如果电视画面变成了黑白,那就意味着这个零件与色彩有关。
生物学中研究某个基因的功能也是这个办法。生命是由无数蛋白质组成,为了确认某种蛋白质在生命现象中发挥的作用,最直接的办法就是创造出没有这种蛋白质的状态,看看生命体会出现什么问题。
但生命不是电视机这样的机器,把生命比作电视机就是一个巨大的错误。而且,基因敲除和拆掉主板上的零件也是两码事。
我们的生命,始于受精卵诞生的那个瞬间。生命是一个单向的过程,发育进程都是按照时间轴进行的。
掌控生命现象的各种蛋白,会在某个具体的发育时期,某个器官,某个细胞中被合成出来。这一时刻新合成的蛋白质会和上一时刻细胞内的状态发生相互作用,形成动态平衡。当一个动态平衡结束之后,又会产生另一种信号,促进动态平衡进入下一个阶段。
要是在这个过程中,本该在某个时机、某个细胞合成的蛋白质缺失了。下一时刻的动态平衡的平衡点就会相应的移动,尽量弥补这种欠缺带来的影响。这种缓冲能力,正是动态平衡系统的本质。就像跷跷板的一头轻了,那就把平衡点往重的那一头移一点。
如果机体少了一种酶,影响了某种反应,动态平衡系统就会曲线救国,开辟另一条路线,或者招募另一种结构和功能类似的替代物。这也是为什么几乎的基因组中都存在大量冗余基因的残骸,如果结构断裂造成了空洞,那就多生产一些类似结构的元件把缺口补上。生命现象中的种种重复和过量,就是为了这些突发情况做的准备。类似的基因有好几组。能生产同一种物质的途径也有好几条。
要是某种蛋白的造成了不可挽回的损伤,而且没有备用的零件来替代。发育过程就不会进入下一个阶段,迎来的就是死亡。当动态平衡系统无法维持的时候,熵增原理就会发挥作用,细胞会进入程序性死亡,自我溶解,被母体吸收重新利用。
如果损伤并不致命,可以修复,或是可以绕道,动态平衡系统也会想方设法弥补影响。然而这种容错性有时候反而会弄巧成拙。平衡系统对偶发的缺失做出灵活的反应,但是它对人工改造的“间谍”却没丝毫的准备。本来能够完美契合的蛋白质多出来一点棱角,这会造成什么结果呢?系统会认为这个位置的没有异常,还是按照既定的路线进行下去。然而这个棱角的异常仍然存在。在细胞不断分化的过程中,这些小棱角已经造成空间结构的改变,而且这种错位会随着时间的推移不断放大。此时,异常蛋白已经形成的网络已经无法进行修补,在发育的某个时间节点上最终会崩塌。这个现象就和癌症的成因类似,不断积累的微小差异最终让正常细胞走上了癌细胞的道路,直到癌细胞失去控制。
蛋白分子的部分缺失或局部形变带来的显性负效应有可能比整个蛋白缺失更严重。人工植入的变异的蛋白会对生命造成负面影响,反而比没有带来的影响更大。显性负效应最典型的例子是朊蛋白。缺失三分之一结构的朊蛋白会造成严重的后果,而完全缺失朊蛋白则不会带来明显的副作用。
基因敲除或植入带来的种种现象,都是与时间有关的。敲除基因,并不等于把这个基因完全从生命体中抠出来。只是在某个时间节点上,在组装拼图的瞬间,这个拼图没有被生产出来。植入不完整的基因,也不是在拼图完成后,拿掉某一个元件。这个残缺的元件会在时间轴的某个节点出现,成为蛋白质网络的一部分。
在时间轴的某个节点上。本该合成出来的拼图没有出现,会导致既定的路径无法走通。于是,生命就不会按既定的路线对折,而是稍微错开一点,沿偏离的线对折。朝下一个阶段进发。虽然最终的成品和预期的性状略有不同,但是平衡仍能得到保障。如果纸张在时间轴的某个节点没有觉察到互补性的异常,还是沿原路对折,那么最后的成品就会坍塌。