我們該如何遏製進化的“黑暗面”
2019年04月07日12:42

原標題:我們該如何遏製進化的“黑暗面”

緩慢進化創造了生命,快速進化則會導致一些重大健康問題

我們該如何遏製進化的“黑暗面”  

數十億年來,地球上進化誕生了包括人類在內的眾多生命類型,時至今日,進化仍在繼續幫助野生動植物適應人類給地球帶來的巨大變化。

進化創造了生命,但也帶來了一些 “黑暗面”。因為進化並非永遠是一個緩慢的過程,有時也會快速發生,並導致從癌症到抗生素耐藥性等重大健康問題。如今科學家發現,我們有能力阻止這樣的 “黑暗面”進化。

■方陵生 編譯

“黑暗面”的進化史

我們都傾向於認為,進化是一個曆時數百萬年的過程,不是我們在現實中需要擔心的事情。但事實上,進化也可以快速發生,並且在文明伊始,這種快速進化就一直在給人類帶來麻煩

一些對我們不利的進化可能會對健康造成危害,這也是導致長期以來已被消滅的寄生蟲死灰複燃、一些癌症治療手段無效,以及超級細菌變得越來越普遍的原因。

進化的“黑暗面”還會對我們的食物和環境造成影響,農民們需要不斷努力,控製快速進化的害蟲和雜草。毫不誇張地說,文明的未來取決於我們是否能夠製止這些給我們帶來威脅的“黑暗進化”。

當早期農耕者用雙手鋤去雜草時,雜草就會做出應對,它們會快速進化,模擬周圍莊稼的模樣,以假亂真,讓人良莠難分。到了工業時代,進化更成為了一個工業化規模的大問題,幾乎在人類一開始使用青黴素治療感染、用DDT殺死蚊蟲、用除草劑清除田間雜草的時候,給人類帶來麻煩的 “黑暗進化”就已經開始了。

原因很簡單,當我們試圖消滅害蟲和病原體的時候,無疑給它們的生存帶來了巨大壓力。面對壓力,它們如果不進化,就意味著死亡。假如殺蟲劑或除草劑不能全部殺滅它們,倖存下來的害蟲或雜草就會對殺蟲劑或除草劑產生抵抗力,並將這種進化變異遺傳給它們的後代,使其擁有更強的耐藥性。

殺蟲劑用得多了,害蟲、雜草和病原體都會迅速進化。1948年,人們開始用“滅鼠靈”來殺滅老鼠,僅僅過了十年,就有了老鼠對其產生抗藥性的最早報告。而像病毒和細菌這些繁殖迅速的病原體,甚至只需要幾天甚至幾個小時,就可能產生抗藥性。

進化在我們的身邊發生著,從未停止過。癌症也是一種會進化的疾病,進化可以讓癌細胞不被藥物殺死,讓它們躲過免疫系統的攻擊;癌細胞通過進化,欺騙我們的身體為它們提供食物和氧氣,並使它們更容易擴散。

進化還解釋了為什麼為完成某項特定任務而馴化或改造的生物體有時會失控。例如,口服脊髓灰質炎疫苗是一種被削弱的病毒,但它有時會重新進化成致病病毒。因為用於製造無數產品的細菌和酵母菌,時間長了有時也會進化,漸漸失去原先的作用。

這是一個讓我們付出了巨大代價的問題。2001年,美國斯坦福大學的斯蒂芬·帕盧比估計,“黑暗進化”導致美國每年付出千億美元的代價,之後雖然一直未有更新的數據,但它只會逐年“瘋漲”。

“反進化”和“反突變”策略

對進化的力量需要慎重評估和反複實驗,即使我們有了與進化的力量相對抗的各種新武器,但可以確定的是,這是一場永遠不會結束的戰爭

以色列特拉維夫大學的烏迪·齊姆隆設想以一種不同的方式來利用噬菌體,即在細菌感染人體之前,就讓其重新對抗生素敏感。他的想法是,在醫院清潔消毒工作中,將經過CRISPR基因改造的噬菌體噴灑在周圍環境中,或摻入醫生護士用來洗手的洗手液中,“如果我們經常使用這樣的清潔劑或洗手液,就能降低抗生素耐藥細菌與抗生素敏感細菌的比例。”

齊姆隆設計的基因修改噬菌體對敏感細菌無害,但在自然環境下能夠複製並殺死其他細菌,他還提出可以同時使用兩種不同的噬菌體,如果某種噬菌體對抗生素耐藥細菌無效,那麼另一種噬菌體就可以發揮作用消滅這種細菌。美國德克薩斯大學進化生物學家傑弗里·巴里克指出,要殺滅複雜環境中的所有耐藥菌是很難的,許多傳統滅菌方法都難以奏效。

美國哥倫比亞大學亞曆杭德羅·查韋斯研究團隊的“反進化”策略是,從一開始就阻止某種細菌進化,而不是利用CRISPR基因編輯方法來逆轉進化。“我們設想是否能讓CRISPR基因編輯工具隱藏在某個基因組內,安靜地待在那裡,什麼也不做,如果發生了我們不想看到的變化,就讓CRISPR出手,在不良進化初露端倪的時候將其一舉掐滅。”為測試這個想法的可行性,他的團隊創建了一個阻止大腸杆菌對抗生素利福平產生耐藥突變的CRISPR系統,他們將這種菌株植入老鼠腸道內,然後給老鼠服用一定劑量的利福平,結果發現,未經基因修改的細菌在幾天內就出現了抗藥性突變,而經過基因修改的細菌則沒有變化。

這種“反進化”系統可以用在許多地方,例如阻止用來製造大量產品的微生物發生不必要的突變,這些產品包括啤酒、胰島素以及香草味香精等。

查韋斯說:“很多時候,在發酵過程中隨著時間的推移,微生物會漸漸失去製造我們感興趣物質的能力,因為製造這些物質的過程也是一個消耗巨大的代謝過程。”這對於製造商來說,確實是一件令人頭疼的事。

巴里克的研究團隊通過創建一種“反突變”細菌來解決這個問題。“反突變”細菌指的是突變率較低的細菌。方法之一是去除基因組內的“寄生物”,這是一種在所有有機體內都存在的DNA序列,它們不會給有機體帶來任何益處,卻會極大地增加變異率。另一種方法是通過提高複製DNA的酶的精度,可將突變率降低30倍。

還有一種可能性是讓DNA自身不發生變異,至少不那麼容易發生變異。方法是給某個DNA序列增加一些額外功能,如果真的發生變異,突變有機體也將不太有可能存活下來。例如,通過削弱某個起到“激發器”作用的DNA序列,研究人員可將突變率降低10倍。

還有一些生物學家利用超高變異率可降低有機體適應性,並阻止其進化甚至導致其死亡這一事實,反其道而行之,開發了幾種效果很好的實驗性藥物,用於治療一些由病毒引起的疾病。實驗顯示,這些藥物對於流感、西尼羅河病毒等有很好的治療效果。這種方法可能只對在RNA中編碼其遺傳信息的病毒有效,因為它們從一開始就有很高的變異率。相比之下,查韋斯的“反進化”系統可適用於更廣範圍的有機體,甚至可能包括一些野生動植物。

改變進化的驅動力量

我們將永遠無法完全徹底解決“黑暗進化”這個問題,在阻止不良進化的漫漫征途中,人類要做的就是棋高一著,領先一步

CRISPR基因編輯已被用於製造人造基因驅動器,這種人造基因可在基因組中複製自身的DNA序列,並傳遞給生物體的所有後代,而不僅僅只是其一半後代。

“我們能讓這種基因驅動器在生物群落中傳播開來,阻止它們進化出我們不想要的突變嗎?我認為這完全可能。”查韋斯說。

CRISPR基因編輯為阻止進化“黑暗面”開闢了一條全新途徑。但逆轉或防止特定突變的問題是,生物體可能還會出現其他我們意想不到的突變。“進化能夠突破任何屏障。”巴里克說。因此,CRISPR基因編輯方法提供了新的途徑,但並非萬全之策。CRISPR與傳統藥物和殺蟲劑的不同之處在於,後者一旦產生耐藥性,就必須從頭開始研究新藥,而CRISPR只需針對新的DNA序列加以調整就可以了,“針對某種特定DNA序列的抗菌素的作用會是非常強大的。”查韋斯說。

但伴隨基因編輯工具強大威力而來的,還有責任。“基因編輯工具改變了進化的驅動力量,”帕盧比說,“我們需要謹慎確定不會造成意料之外的後果。”但要做到這一點,其實相當困難。例如,有些疫苗會驅動進化產生更危險的病毒。“我們將永遠無法完全徹底地解決這個問題,在阻止不良進化的漫漫征途中,我們要做的就是棋高一著,領先一步。”帕盧比說。

題圖照片來源:視覺中國

快速進化也有好的一面

自然界的快速進化對於我們來說是一個巨大的挑戰,但有時也是某些動植物的“救命”絕招。

海星

海星通過進化對一種叫做“海星損耗病”的疾病產生了免疫力。

野生哺乳動物

野生哺乳動物越來越傾向於在夜間活動,以躲避人類活動導致的影響和傷害。

達爾文雀

隨著加拉帕戈斯群島的變化,達爾文雀也依然在繼續進化。

蜥蜴

蜥蜴進化出了更具粘合力的腳,以適應城市生活。

非洲大象

非洲大象的象牙正在逐漸退化消失,這是幫助它們躲過偷獵者瘋狂捕殺的一種快速進化。

鱂魚

大西洋鱂魚通過進化,適應致命汙染。

如何阻止“黑暗進化”

阻止進化的計劃聽起來似乎有些異想天開,但生物學家一直在尋找實現這一計劃的方法,包括創建“不會變異”的基因,讓基因編輯工具成為“反進化”超級武器,以及讓病毒加速突變以至於無法進化等。科學家甚至可以設法逆轉抗生素的耐藥性。事實上,只要我們著手去做,還是大有可為的。

“反進化”武器之一

利用自然選擇的力量

在“反進化”之戰中,科學家們已經取得了不菲的戰果。以愛滋病三聯療法為例,上世紀90年代,醫生們開始同時使用三種藥物來對付愛滋病,病毒哪怕進化了,也無法同時抵抗這三種藥物疊加在一起的威力。

事實上,阻止進化並非如想像中的那麼難。例如,引起稻瘟病的真菌在三年時間里,就會對某種新型殺菌劑產生抗藥性,而當日本農民停止使用這種藥物之後,這種有抗藥性的真菌品種就會消失不見。

甚至不一定需要停止使用某種抗菌劑或殺蟲劑,只需要確保讓易感害蟲比產生抗性的害蟲繁殖得更快就可以了。在農民種植了一種產生Bt毒素轉基因作物的地方,害蟲在幾年時間里就會產生抗藥性,但在農民混種了含有Bt毒素和不含Bt毒素莊稼的地方,大量對殺蟲劑易感的害蟲活了下來,這些易感害蟲與少數產生抗藥性並存活下來的害蟲交配,從而將可能出現的抗藥性進化扼殺在了萌芽之中。

“反進化”武器之二

逆轉抗生素耐藥性

抗生素耐藥性問題的形勢日趨嚴峻,甚至有可能抹殺一個世紀以來醫藥學領域內取得的進步,而想要勸說人們少用抗生素卻很難做到。但解決抗生素耐藥性問題並非沒有希望,令人難以置信的是,一些研究人員提出可以利用抗生素來逆轉細菌面對的自然選擇壓力,讓它們重新對抗生素易感。

幾十個研究小組正在攻克這一難題,英國格拉斯哥大學的李·克羅寧和他的同事也是其中之一,他們一直在試驗交替使用兩種抗生素來攻擊細菌。這種做法並不新穎,用不同的化學物質交替使用來防止產生耐藥性的做法由來已久,只是之前一直未被用於逆轉抗生素的耐藥性。

克羅寧的研究團隊開發了一種優化模式,在培養皿中的細胞生長中取得了成功。經過一段時間,他們逆轉了細菌對於抗生素的耐藥性。這項研究表明,該方法也可用於阻止癌細胞進化產生抗藥性。

“反進化”武器之三

基因編輯直接阻止進化

CRISPR基因編輯方法則以一種全新的方式直接阻止進化。基因編輯技術可以針對目標,直接摧毀特定的DNA序列。

但這種方法目前還存在一些重大局限。首先,某種噬菌體只能感染某種細菌,因此針對某種病例必須有專門定製的治療方案。其次,雖然可以將噬菌體噴灑在傷口上治療,或用於專門針對某種腸道細菌的靶向治療,但噬菌體無法在血液循環中存活,無法用來治療體內感染。

科技快訊

科學家揭秘瀑布形成機製

瀑布要比人們想像的複雜得多。雖然目前尚未完全瞭解它們是如何形成的,但有些瀑布可能完全獨立出現,而不受周圍地形的任何影響。相關成果日前發表在《自然》雜誌上。

人們通常假定,大多數瀑布是因為河流周圍和下方的景觀特徵而形成的。例如,地震會沿著構造斷層向上推動陸地並形成懸崖面,冰川運動也可以造成類似的陡坡,使上面的河流筆直地流下;又或者,河流從一塊特別容易被侵蝕的岩石上面流過,並且在它侵蝕軟基岩時,逐漸形成瀑布。

美國內華達大學里諾分校的喬·沙因格羅斯和同事發現,瀑布實際上可以在沒有這些因素的情況下形成。一條沿著光滑而均勻的地面向下流動的河流,也能自己形成瀑布。

由於自然景觀的複雜性,這在自然界中很難研究。該團隊用一個7.3米長的傾斜聚氨酯泡沫人造河床模擬基岩,並對其進行了測試。他們把水和小鵝卵石倒進水道的頂部,形成一條微型河流,沉積物則順著它流淌。

鵝卵石就像小鑿子一樣,幾乎立刻開始侵蝕泡沫河床。“大自然不喜歡平的事物。”沙因格羅斯說,“一些地方受到的侵蝕比較嚴重且更深,另一些地方則被侵蝕得比較淺。”

這些微小的差異會產生反饋效應,即流入較深區域的鵝卵石會更猛烈地撞擊池底,造成更陡的落差。最終,一些從陡峭地方落下的水滴完全變成了瀑布。

人們經常用瀑布證明過去的氣候和構造變化,比如,在冰川侵蝕地面的條件下,氣候一定很冷。而自己形成的瀑布暴露出這些假設可能存在的問題。

美國FDA批準新型一氧化碳中毒急救設備

美國食品和藥品管理局(FDA)日前批準一款用於治療一氧化碳中毒的急救設備。它可以通過增加患者呼吸頻率來排出體內一氧化碳。

這種叫做ClearMate的設備是一個新型呼吸面罩,一邊給患者輸入100%的氧氣,一邊輸入氧氣和二氧化碳的混合氣體,使患者呼吸更快,從而加速一氧化碳排出體外的速度,讓正常量的氧氣與血紅蛋白結合。與傳統的呼吸面罩相比,這款新設備增加了氣體混合器。

FDA發佈公報說,目前治療一氧化碳中毒的標準療法是使用呼吸面罩的純氧療法,以及針對嚴重病例的高壓氧艙療法。對100名患者進行的臨床試驗顯示,新型設備能有效清除體內一氧化碳,速度比純氧療法更快,但比高壓氧艙療法要慢。

FDA醫療器械與放射衛生中心眼耳鼻喉設備部主任瑪爾維娜·埃德爾曼說,目前高壓氧艙療法全美國只有60個中心可實施,農村地區幾乎沒有,新型設備的批準將使患者獲得更加簡便的急救設備。

蜜蜂更愛向右轉

日前發表於《生物學快報》的一項研究顯示,蜜蜂在進入開放的空間時,會表現出強烈的右轉傾向。這一偏差或許幫助它們集體做出在哪裡建造新巢的決定。

方向性偏差在很多動物中存在,但它們可能對於社會化物種尤其重要,進而促進團隊的凝聚力。

為探尋蜜蜂是否擁有這種偏差,美國路易斯安那州立大學的研究人員讓30只蜜蜂探索兩個盒子。一個裡面是開放的,另一個則是含有各種狹窄分支的迷宮。

在開放空間進行的180次試驗中,蜜蜂有86次立即轉向右邊,僅有35次向左轉。剩下的59種情形中,它們直接往前飛。更重要的是,當蜜蜂在試驗中向右轉時,它們的速度比向左轉要來得快,表明這更多的是一種自動反應。

不過,在分支迷宮中,它們未表現出向右或向左轉的傾向。

研究發現,蜜蜂的右邊觸角擁有更多嗅覺感受器,因此這種向右轉的偏好從生理學角度來說,也是行得通的。

烏賊蛋白質可製造自修復衣服

烏賊依靠觸鬚末端一組結實的鋸齒狀吸盤抓住獵物,它們被稱為“烏賊環齒”(SRT)。如今,研究人員發現,SRT中的一種蛋白質可被轉化成纖維和薄膜,用於製造結實、靈活、可生物降解的塑料。相關成果日前發表在《化學前沿》雜誌上。

普通烏賊只含有約100毫克SRT蛋白質,但美國賓夕法尼亞州立大學的梅利克·德米利爾和他的團隊通過基因改造,使大腸杆菌生長出SRT蛋白質。這意味著更多蛋白質可被生產出來。

普通的衣服纖維可被SRT蛋白質包裹,以製造非常耐穿的織物。同時,如果受到損傷,僅靠一點點熱量和壓力,它們便可自我修復。

這種蛋白質有著緊緊纏在一起的螺旋線、扁平的片材和無序的纏結,這種結構賦予了該材料特殊的屬性。

(小柯)

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