为什么地球上的物种比我们想象的要少

我2012年，我在澳大利亚大堡礁(Great Barrier Reef)进行了一次旅行，对鹦鹉螺种群进行了抽样，目的是明确了解生活在大堡礁海洋保护区的鹦鹉螺是否和那些因漂亮的贝壳而捕捞它们的地方(比如菲律宾和印度尼西亚)的鹦鹉螺一样稀少。20世纪90年代对大堡礁的研究表明，目前存在两种不同的、公认的物种。一个,鹦鹉螺堪它是所有鹦鹉螺中分布最广的一种，遍布广阔的太平洋和印度洋。第二个,鹦鹉螺stenomphalus，只在大堡礁发现。它不同于更常见的n .堪在它的壳的正中央有一个洞。(在n .堪，有较厚的钙质塞)。贝壳的颜色和条纹图案也有明显的差异。但在20世纪晚期，当这种澳大利亚物种首次从1000英尺的栖息地存活下来时，科学家们惊讶地发现n stenomphalus在它的厚“帽”上也有明显不同的解剖结构，这是一个大的肉区域，当动物拉进它的外壳时，保护内部内脏和其他解剖上的柔软部分。在n .堪兜帽上布满了低矮的肿块，像疣一样。与此同时,n stenomphalus兜帽上覆盖着一大片灌木状的突出物，它们从兜帽上方升起，就像一张由细枝苔藓或小肉树组成的厚地毯;引擎盖的颜色也完全不同。

2012年的考察是为了采集这两个“物种”的DNA样本，并更好地了解在给定的海底区域有多少鹦鹉螺。在九天的时间里，我们捕获了30条诺第留斯号，把诺第留斯号90根触须中的每一根都剪掉一毫米长的尖端，然后把它们都活地(虽然有些古怪)送回它们的栖息地。所有的样本后来都在读取DNA序列的大型机器中进行了分析，令我们完全吃惊的是，我们发现n .堪形态上的不同n stenomphalus是相同的。没有遗传差异，但形态上有很大的不同。最好的解释方法是回到进化论中最有用的类比之一:一个球从一个由许多沟壑组成的斜坡上滚下来。球滚下哪条沟(与成年动物的终极解剖或“表型”相对应)是由球推的方向控制的。在进化过程中，生物体的最终形态命运是由其生命早期所接触的环境的某些方面造成的，或者，在鹦鹉螺的情况下，它们在孵化前的一整年里在它们的大蛋中缓慢发育。也许是温度的不同。也许是由于外力，胚胎在孵化前遭遇，或者当刚孵化时，小鹦鹉螺(直径1英寸，有8个完整的腔室)找到了不同的食物，或者它们受到攻击而存活下来，也就是说，有两种不同的捕食者。这就是为什么n .堪和n stenomphalus不是两个物种。它们是一个单一的物种，具有表观遗传的力量，导致外壳和柔软部分完全不同。越来越多的迹象表明，地球上的物种可能比科学定义的要少，而不是多。

生物学家越来越多地发现，被认为是不同物种的生物实际上是一个物种。最近的一个例子是，以前人们公认的两种北美猛犸象(哥伦比亚猛犸象和长毛猛犸象)的基因是相同的，但这两种猛犸象的表型是由环境决定的。

T这个词有很多相互矛盾的用法表观遗传学这就导致了科学家之间以及科学家和科学记者之间的巨大分歧。这并不是一个孤立的事件:在科学领域中，有很多情况下，不同的科学家在完全不同的上下文中使用特定的术语，而同一个词具有完全不同的含义;因此，可能会出现混乱。仅在过去的十年中，就有越来越多的书籍、流行文章和科学评论涉及表观遗传学，在它们中，这个词的含义和使用方式都是多样化的。(而且，根据许多批评人士的说法，它被过度使用了。)

这个词的起源来自英国生物学家康拉德·沃丁顿表观遗传学是研究“基因型”(生物体所含基因的总和)如何转化为“表型”，即生物体的实际物理表现，以及它的各种和特定的化学性质和产物，以及我们日益了解的它的行为。但对其他科学家来说，这个术语有更具体的含义:表观遗传学是研究遗传基因功能的学科都被传递下去了从一个复制细胞到另一个复制细胞，无论是体细胞还是生殖细胞(精子或卵子)，都不涉及改变原始DNA序列．后一种情况会导致重大的进化变化。在“减数分裂”过程中，在有性繁殖的生物体中，细胞(精子和卵子)的复制，信息被输入精子或卵子，就像一些奇异的秘密文字，只有受精后才可读。

表观遗传学研究的是如何理解一个特定的细胞在特定的解剖位置的特定时间“知道”如何变成完全不同的东西。

表观遗传学(或可遗传表观遗传学，或新拉马克主义)是一系列不同的过程，可以导致进化变化，并决定生物体如何从单个受精卵(至少在有性繁殖的生物体中)发展到我们作为成年人的样子。一些人说，这只是对已经了解的过程的一个小小的调整，在更广泛的进化变化或过去甚至未来的生命历史中，这都不重要。但对其他人来说，表观遗传学虽然仍然知之甚少，却可能比主流进化理论重要得多，主流进化论者到目前为止已经接受了这一点。对一些人来说，它的不断发现正在引发一场正在展开的科学革命。但在我们称之为“生物学”的许多领域中，这些发现并不均匀。这些重大突破主要是对细胞和细胞内分子的研究，包括DNA和RNA以及遗传学的其他方面。但迄今为止，在将表观遗传变化与化石和化石记录所证明的许多事件联系起来方面，几乎没有任何进展。

在遗传学中，基因会因突变而中断并永久改变。当长链DNA上的单个基因被非常小的分子“污染”时，表观遗传效应就发生了，每个小分子只附着在长链DNA分子上的一个小位点上。这可能会导致一个活跃使用的基因——比如一个指示特定蛋白质产生的基因——无法正常活动。这种蛋白质不再被制造出来。但有时一个这样的基因块就能影响数百个基因的正常运作，例如主控制基因(称为Hox基因)无意中关闭了。因为Hox基因控制数百通过告诉其他基因何时何地开启和关闭，该基因的一个表观遗传变化现在影响了大量其他基因。Hox基因决定了器官、四肢、皮肤以及发育中的有机体的各个部分的形成。造成Hox关闭基因可能产生深远的生物学影响，远远大于任何单一的突变。通过这种方式，表观遗传变化可以从根本上、迅速地改变一个有机体的结构——或好或坏。

在表观遗传学中，不活跃(沉默)的基因因此可以被环境刺激唤醒，并开始在有机体中产生生物效应，而如果没有这些环境刺激，这些效应就不会发生。它们不一定是永久性的变化:附着的小分子不是永久焊接在原地;DNA很久以前就进化出了自我修复的方法，包括清除这些有害分子。因此，在大多数情况下，影响我们的表观遗传变化对我们的后代没有影响。但有时这些表观遗传变化确实会通过卵子和精子传递。

表观遗传学的研究实际上可以归结为观察两种类型的表观遗传学变化。第一种变化是生物体经历的“正常”表观遗传变化，经过自然选择的磨砺。例如，我们身体的每一个细胞都包含所有必要的信息，使我们成为众多细胞中的一员具体的维持我们生存所必需的各种细胞，如神经细胞、肌肉细胞，以及许多其他生存所必需的高度专门化细胞类型。每个细胞都含有DNA信息，可以成为任何细胞或全部细胞。但它确实。但事实并非如此。表观遗传学所涉及的科学旨在了解一个特定的细胞是如何在特定的解剖位置的特定时间“知道”如何根据时间、地点和功能转变成完全不同的东西的。但这些变化是由组织“预见”的，而且是有益的。

第二种表观遗传变化在不改变特定基因的遗传编码的情况下对生物体造成不可预见的改变，但它也将这些改变传递下去。它可以引起从微小到深刻的变化，并且可以遗传。“拉马克”变化是指在其环境中遇到的某些东西，通过添加微小分子或通过将扭曲的DNA分子固定在特定形状的支架的形状改变，导致DNA发生化学变化，而这在有机体的生命中不一定会发生。其他种类的表观遗传变化也可能是由小RNA分子对某种外部环境变化的反应引起的。

它们中的每一种都可以通过开启或关闭基因来改变基因的行为方式。这可能包括我们生命中一些最重要的基因，这些基因通过控制情绪的激素被调节和供应的速度来影响我们的行为。

HEre是对产生表观遗传变化的最重要的已确定方法的更全面描述:

甲基化是在DNA中特定的核苷酸上添加非常短的碳、氧和氢链，这通常会使基因活性沉默。

组蛋白修饰包括像支持DNA分子结构的化学物质(组蛋白)。它们可以使DNA或多或少地包裹在自身上，从而改变DNA的形状。当他们修改的几个小的化学分子之一(甲基分子,这是一个碳原子的微小分子伴随着氢原子),以及额外的小型化学组织只有几个原子组成,他们被添加到更大的组蛋白,从而改变了细胞内固定DNA分子的化学“支架”的整体形状。当DNA如此密集时，试图读取密码的RNA小分子就很难接近DNA，它们会进入细胞的蛋白质工厂，比如核糖体，DNA所需要的蛋白质实际上就是在那里构建的。

我们可以将我们的好习惯或坏习惯，甚至是我们一生中获得的精神状态的生理和生理影响传递下去。

第三种变化是由微小的RNA分子(RNAi)影响上述染色质(组蛋白)引起的。事实上，不同长度的RNA分子的不同组合现在被认为是基因表达的调节器，也被用于基因组防御外来基因元素，如病毒对细胞的攻击。小的rna改变染色质结构的形状，并可以停止(沉默)这一过程称为转录在那里，基因决定了应该制造哪种蛋白质。

有时，表观遗传的变化会导致蛋白质不能产生。有时，它会导致一种新的蛋白质的产生，而这种情况在其他情况下是不会发生的。有时，最重要的是，它会导致调控基因(本质上是协调人体所有细胞忙碌建设项目的“总承包商”)完全退出工作。这导致了巨大的变化，远远超过任何单一突变所能造成的。这些影响个体的变化可以传给下一代。甲基分子在物理上不会遗传给下一代，但它们在一个全新的生命形式(下一代生命形式)中附着在相同位置的倾向是存在的。这种甲基化是由身体的突然创伤引起的，比如中毒、恐惧、饥饿和濒死体验。这些事件都不是由小甲基分子引起的，但它们会导致体内的小甲基分子在特定的关键位置聚集到体内的整个DNA上。这些行为不仅会影响一个人的DNA，还会影响他们后代的DNA。最初的观点是，我们可以将我们的好习惯或坏习惯，甚至在我们一生中获得的精神状态的生理和生物影响传递下去。

这是一个明显的变化，从进化论通过自然选择。可遗传的表观遗传学并不是一个漫长的、千年的过程。这些变化可以在几分钟内发生。被愤怒的情人随意击中头部。一个生病的，性虐待的父母。吸入有毒气体。在宗教的狂喜中走向上帝所有这些都能改变我们，并可能因此改变我们的孩子。

在可遗传表观遗传学中，我们传递相同的基因组，但有一个标记为(马克是一个甲基分子附着在一个核苷酸(DNA阶梯上的一个梯级)上的位置的正式术语，以这种方式，新的有机体很快就会拥有自己的DNA，这些新的(通常不受欢迎的)添加在染色体上。基因型没有改变，但是携带着新的类似甲基分子的基因改变了有机体的工作方式，比如产生(或缺乏)对我们健康有益的化学物质，或者身体的某些部分是如何产生的。因此，经过表观遗传修饰的亲本的后代可能在表型上与亲本完全不同。表现型是基因型的物理表现，如头发和眼睛的颜色或人的身体尺寸或智商和大脑功能。有时这些变化使幼体能够适应父母无法忍受的环境。有时这些变化会迅速产生新的物种。但有时后果可能是致命的，这种变化可能会遗传给下一代。换句话说，一个年幼的孩子可能会遭受祖父的罪孽。

T这里仍然是一个很大的争议表观遗传学的相对重要性,在多大程度上是遗传的,即使有什么小说相比,古典,认为建立随机突变是进化的主要燃料,产生的生命的历史记录。这些论述大多来自于一种持续的信念，即所谓的“重编程”使附在DNA上的表观遗传添加的甲基分子成为一种非因素——在受精时它们就被消除了。它长期以来一直是“真相”的表观基因组(化学物质的补充修改生物体的基因的表达和功能,如甲基分子可以抢到特定基因在生物体的生命由于一些环境变化)的父母是重组(所有表观遗传痕迹删除)两次:第一次是在配子本身(未受精的卵子或等待使卵子受精的精子)形成期间，第二次是在受孕期间。擦去再擦去。但现在的实验明确表明，在生物生命期间添加的一些化学物质确实会以这样一种方式留下信息，即后代的基因会像父母那样迅速改变。新生婴儿(甚至是“尚未”出生的婴儿)的长DNA分子上的相同位置，会得到与父母一方或双方相同的表观遗传附加子。这是不应该发生的。革命是意识到它的存在。这是诺第留斯号的事。 And it happens to you and me.

彼得·沃德(Peter Ward)是华盛顿大学生物学和地球与空间科学教授。他是本书的作者寻找诺第留斯号和《被淹没的地球:没有冰盖世界的未来》(The Flooded Earth: Our Future in a World Without Ice Caps)。他受到家人、学生和狗的喜爱。