量子跃迁和生物进化：突变的奥秘

突变，美丽的错误

如果遗传密码的复制过程一直完美无缺，我们星球上的生命便不可能进化，也不能应对种种挑战。比如，几万年前，南极洲大陆气候温和，徜徉于湖水中的微生物很适应在相对更温暖、更明亮的环境中生活。当冰顶密封了它们的世界后，那些以100%的精确度复制自身基因组的微生物几乎一定会消亡。但许多微生物的复制过程出现了少许错误，生成了与自己有微小差别的变异子代。那些变异后能更好地适应更寒冷、更黑暗的环境的子代，逐渐繁盛起来。渐渐地，在积累了成千上万次不太完美的复制之后，被困微生物的后代就会变得很适应冰下湖中的生活了。

东湖中的生命通过基因突变（DNA复制错误）适应环境的过程只是一个缩影。同样的过程已经在地球上发生了几十亿年。从巨型火山喷发到冰河时期，再到陨石撞击，在漫长的岁月里，地球经历了许多次大的灾变。如果不是通过复制过程中的错误不断适应变化，生命早已消亡。同样重要的是，基因突变是遗传性变异的推手，而遗传性变异让最简单的微生物进化成了如今地球上色彩斑斓、物种极度丰富的生物界。如果时间充裕，微小的失真也会引起巨大的变化。

除了提出量子力学是遗传精确性的原因外，薛定谔在其1944年出版的著作《生命是什么》中还提出了另外一个大胆的猜想。他推测，突变可能意味着基因内部存在某种形式的量子跃迁。这个猜想有道理吗？为了回答这个问题，我们需要先来探讨一个涉及进化论核心的争议。

人们通常认为，查尔斯·达尔文“发现”了“进化”，但至少在达尔文之前一个世纪，博物学家们就已经通过研究化石，熟知了生物会随着地质时期的变化而变化的事实。事实上，达尔文的祖父伊拉斯谟斯·达尔文（Erasmus Darwin）就提出过自己的进化论观点。不过，在前达尔文时代，最著名的进化学说可能要数拥有骑士头衔的法国贵族让-巴蒂斯特·拉马克（Jean-Baptiste Pierrre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck）提出的进化论了。

拉马克出生于1744年，起初受训成为一名天主教耶稣会牧师。但在他父亲死后，他继承了一笔足以买战马的钱，于是他买了一匹战马，奔赴战场，成了一名军人，在波米兰尼亚战争中对普鲁士作战。后来，他的军旅生涯因为受伤戛然而止，他回到巴黎成了一名银行职员，并利用空闲时间学习植物学和医学。他最终在皇家花园谋得一个植物学助理的职位，并一直干到他的雇主在后来的法国大革命中丢了性命。不过，拉马克在大革命后的法国继续成功发展，他在巴黎大学获得一份教职，并将自己的研究焦点从植物转到了无脊椎动物。

至少在盎格鲁-撒克逊传统的世界中，拉马克是最不受重视的伟大科学家。拉马克最先提出“生物学”（biology，来自希腊词根bios，指生命）一词，且在达尔文之前半个世纪，就提出了自己的进化论，为生物的演变提供了一套至少能自圆其说的机制。拉马克指出，生物在其一生中，能够针对环境的变化来调整自己的身体。比如，习惯重体力劳动的农民往往比银行职员具有更强壮的身体。拉马克进一步指出，生物的子孙后代可以继承这些获得性的改变，并因此产生进化式改变。他曾举过一例，最著名也最受嘲讽：假想中的“羚羊”为了吃到树顶的叶子而伸长了自己的脖子。拉马克认为，“羚羊”的子代继承了“伸长的脖子”这一获得性的性状，它们的子孙会经历相同的过程，并最终进化为长颈鹿。

拉马克式的可遗传适应性改变理论在盎格鲁-撒克逊世界中受到普遍的讥讽，因为有大量的证据表明，动物在其一生中获得的性状，通常不会遗传给下一代。比如，皮肤白皙的北欧人，在移民到澳大利亚几百年后，如果经常在户外活动，普遍会晒黑，但如果他们的孩子没有暴露在阳光下，就会像他们的祖先一样白皙。很显然，充足的阳光会让皮肤晒黑，这一适应性改变并不会遗传。因此，在《物种起源》于1859年出版后，达尔文的自然选择理论[56]让拉马克的进化理论黯然失色。

今天我们更强调达尔文的进化论——适者生存的观念深入人心，无情的自然从生物欠完美的后代中淘洗出最为适应的胜者。但自然选择只是进化理论的半壁江山。进化论要想成功，自然选择还需要一个产生变异的来源作为基础。这是一个让达尔文头疼的谜题，因为正如我们先前的发现，遗传的特点就是精确度出奇地高。这一点对于有性生殖的生物来说可能不那么明显，因为它们往往与自己的父母不同，但有性生殖只不过是在生产子代时重组了亲代已有的性状。

事实上，在19世纪早期，人们普遍相信，有性生殖中的性状混合，就像颜料的混合。如果你拿几百罐颜色不同的颜料，将半罐这种颜料与半罐那种颜料混合，然后将这个过程重复几千次，最后，你得到将是几百罐灰色的颜料：个体变种的融合将趋向群体的均值，然后不再变化。但是，达尔文所需要的变异，如果想要成为物种演变的来源，必须能够持续存在，并提供新的演变。

达尔文相信，进化通过对微小的可遗传变异进行自然选择而缓慢地推进：

自然选择的实现只能通过保护和积累极微小的可遗传改进，且每个改进应给生物带来益处使其受到保护；正如现代地质学已基本放弃了一次洪水冲击就能形成大型河谷的观点，如果自然选择的原理是真的，那么也应该摒弃如下的观念：自然界会源源不断地创造新的物种，或生物结构会突然发生巨大的改变。(www.xing528.com)

但作为进化的原材料之源——“极微小的可遗传改进”——却仍是一个谜。19世纪的生物学家熟知具有可遗传特征的“异种”或“变种”：比如，18世纪晚期，新英格兰农场诞下一只腿特别短的绵羊，后来由这只羊繁衍出了一个短腿绵羊品种，被称为安康羊（Ancon sheep）。这些短腿羊因为无法翻越篱笆，因此更加便于管理。然而，达尔文认为，这些“变种”不可能是进化的动力，因为性状的变化太大，产下的生物通常很奇怪，若在野生条件下基本无法存活。要想使自己的理论能够自圆其说，达尔文必须找出能产生更小、更温和的可遗传改变的来源，以提供“极微小的可遗传改进”。在他的一生中，达尔文并没有真正解决这个问题。事实上，在《物种起源》的后几版中，他甚至诉诸一种拉马克式的进化理论来解释可遗传的微小变异。

其实，在达尔文活着的时候，来自捷克的修道士和植物育种师格雷戈尔·孟德尔已经部分解答了这个问题。我们在第1章中已经知晓孟德尔。他的豌豆实验证明，豌豆形状或颜色的小变化其实可以稳定遗传。这很重要，因为这说明性状并没有融合，而是从一代传向下一代。虽然如果性状是隐性而非显性的话，会出现隔代遗传。孟德尔认为，是各自独立的“可遗传因素”，也就是我们现在所说的基因，编码了生物性状，而且是生物变异的来源。因此，与其把有性繁殖看作是颜料的混合，不如想成是一罐罐各式各样、各种颜色的弹珠。繁衍下一代相当于将一罐弹珠中的一半与另一罐弹珠中的一半互换。注意，即使经过几千代，单个弹珠还是原来的颜色，就像性状在经过几百代甚至上千代的遗传后，可能依然保持不变。自然选择需要依靠变异，而基因借此提供了变异的稳定来源。

在孟德尔活着的时候，他的理论基本为人所忽视，在他去世后更是彻底被人们所遗忘。因此，就我们所知，达尔文并不知道孟德尔的“可遗传因素”理论，也不知道该理论可能会解答遗传融合之谜。囿于无法发现推动进化的可遗传变异的来源，到19世纪末期，对达尔文进化论的支持逐渐式微。但是，进入20世纪后，几位研究植物杂交的植物学家发现了变异在遗传过程中的规律，使孟德尔的理论重获生机。像所有认为自己有了新发现的负责任的科学家一样，他们在发表自己的研究结果之前，检索了已有的文献。然后，他们惊奇地发现，早在几十年前，孟德尔已经记录了他们发现的遗传定律。重新发现孟德尔式的遗传因素（即现在所说的“基因”[57]），为解开达尔文的遗传融合之谜提供了可能的方案，但这并不能立刻解决问题。基因在遗传过程中似乎不会发生改动，也就是说，并不能为长期的演变提供新的可遗传变异的来源。自然选择能改变每一代基因弹珠的混合方式，但仅凭自然选择，并不能创造出新的弹珠。雨果·德弗里斯（Hugo de Vries）作为重新发现孟德尔遗传定律的植物学家之一，打破了僵局。他在种植马铃薯的田间散步时发现了一种全新的月见草品种——拉马克月见草（Oenothera Lamarckiana）。这个新的品种比普通的植株要高，花瓣呈卵圆形而非常见的心形。他认为这种花是“变种”，而且，更重要的是，他后来证明，变异的性状是可遗传的，可以传递给该株植物的后代。

在20世纪早期，遗传学家托马斯·亨特·摩根（Thomas Hunt Morgan）将德弗里斯对变异的研究引入了哥伦比亚大学，并用更易繁育的果蝇来做实验。为了创造变种，他和他的团队将果蝇分别暴露在强酸、X光和有毒物质等环境中。最终，在1909年，一只白眼果蝇破蛹而出。他的团队随后证明，就像德弗里斯的异形月见草一样，白眼——这一变异的性状，也符合孟德尔的基因遗传规律。

达尔文自然选择与孟德尔遗传学的联姻最终形成了新的理论，被称为新达尔文合成论（neo-Darwinian synthesis）。该理论认为，基因突变是可遗传变异的最终来源，大多数情况下没有作用，有时甚至有害，但偶尔会创造出比亲代更适应生存的变种。之后，自然选择的过程会介入，从群体中剔除掉相对不适应的种系，让更适应环境的变种得以生存繁衍。最终，更适应的变种成为该种群的常态，进化“通过保护和积累极微小的可遗传改进”得以继续。

“基因突变随机出现；变异的产生并非为了应对环境的演变”——这项原理是新达尔文合成论的关键组成部分。因此，当环境改变时，为了适应改变，一个物种必须等待正确的变异通过随机过程自发涌现。这与拉马克的进化论观点形成鲜明对比。拉马克认为，长颈鹿的长颈这种可遗传的适应性，是为了应对环境的改变，而且正是为了适应环境才会代代相传。

可遗传的基因突变究竟是像新达尔文主义者所认为的那样随机出现，还是像拉马克主义者所相信的那样，为了应对环境的挑战而产生，直到20世纪早期，依然不甚明朗。之前提到，摩根在饲养果蝇时，用有毒物质或辐射来诱导基因突变。或许，正是为了应对这些环境挑战，果蝇产生了新的变异来帮助它们在新环境中存活下来。就像拉马克的长颈鹿，它们可能也相应地“伸长了自己的脖子”，并将这种适应性性状作为一种可遗传基因突变传给了子孙后代。

1943年，詹姆斯·沃森的导师萨尔瓦多·卢里亚（Salvador Luria）和印第安纳大学的马克斯·德尔布吕克（Max Delbrück）做了一系列经典的实验来验证这两个对立的理论。因为在实验室条件下更容易培养且传代时间更短，那段时期，细菌已经取代了果蝇，成为在研究进化时更受青睐的实验对象。已知细菌会受到病毒的感染，但如果将细菌反复暴露在有病毒的环境中，细菌会通过变异很快进化出抗性。这就为验证新达尔文的或拉马克的突变理论提供了理想的情景。卢里亚和德尔布吕克开始观察，能够抵抗病毒感染的细菌究竟是像新达尔文主义预测的那样，已经存在于细菌群体中，还是如拉马克主义的预测，只有在应对病毒引起的环境刺激时才会出现。这两位科学家发现，不管病毒是否存在，突变体出现的概率基本相同。换句话说，突变率并不受环境选择的影响。他们的实验为自己赢得了1969年的诺贝尔生理学或医学奖，并奠定了基因突变的随机性原理在现代进化生物学中的基石性地位。

但是，当卢里亚和德尔布吕克在1943年进行实验时，依然没有一个人知道这些基因“弹珠”是由什么组成的，更别提引起基因突变——将一个“弹珠”变成另一个“弹珠”——的物理学机制了。1953年沃森和克里克揭开了DNA双螺旋结构的神秘面纱，一切随之改观。人们知道，基因“弹珠”是由DNA组成的。基因突变的随机性原理也因此变得很有道理。公认的引发突变的原因，比如辐射或某些可以引起基因突变的化学物质，会沿着长链随机地破坏DNA分子，使受到它们影响的基因发生突变，而不论突变是否能为生物提供进化优势。

在沃森和克里克研究DNA结构的第二篇论文中，他们提出，由分子内部的质子运动引起的互变异构过程（tautomerization），也可以成为基因突变的原因之一。我相信，如今，你已经非常清楚，任何过程，如果包含基本粒子运动，比如质子运动，都与量子力学有关。那么，薛定谔是正确的吗？基因突变也是一种量子跃迁吗？