颠覆生物学经典概念：遗传不仅仅靠基因

在经典遗传学中，“基因型”(个体携带并能传递给后代的一组基因)和“表型”(生物体暂时具有的环境和经验标志，但这些特征不能传递给后代)之间有着根本的区别。

据国外媒体报道，多年来，基因可以编码所有生物遗传特征的观点一直是遗传学和进化生物学的基本原则之一，但这一假设总是与混乱的经验研究结果不协调地共存。近年来，随着一些重要新发现的出现，这种不和谐变得越来越明显。

在经典遗传学中，“基因型”(个体携带并能传递给后代的一组基因)和“表型”(生物体暂时具有的环境和经验标志，但这些特征不能传递给后代)之间有着根本的区别。只有那些由基因决定的特征才被认为是可以遗传给后代的——因为遗传只能通过基因传递来实现。然而，与“基因型/表型”二分法相反，一些遗传上相同的动物和植物表现出可遗传的差异，并能对自然选择做出反应。

与经典遗传学相反，基因不能用来解释某些复杂性状和疾病中亲属之间的相似性。这个问题被称为“遗传缺陷”。然而，尽管个体的基因型似乎不能解释其某些特征，但一些研究发现，父母的基因也能影响后代的特征，而不会传递给后代。此外，对植物、昆虫、啮齿动物和其他生物的研究表明，环境和个人一生的经历——饮食、温度、寄生虫、社会关系等。——会影响他们后代的特征，而对人类自身的研究也表明，在这方面我们也不例外。其中一些发现显然符合“后天遗传”的定义——根据谷歌时代之前的一个著名比喻，这种现象就像从北京发来的中国电报到达伦敦时被翻译成英文一样不可思议。然而，今天我们仍然可以在学术期刊上不时地发现这种现象的报道。正如互联网和即时翻译给交流带来了革命性的变化一样，分子生物学的发现也颠覆了关于代际传承的观点，比如哪些特征可以传承，哪些不能。

生物学家现在面临一个巨大的挑战，即理解新兴的新发现如何颠覆一些根深蒂固的观念。通过阅读这类研究的最新综述，然后翻到本科生物学教科书的任何介绍性章节，每个人都能感觉到其中日益严重的不和谐。传统的遗传概念显然有所缺失，它声称遗传完全由基因调节，并否认环境和经验的某些影响可能会传给后代。

如果一些非遗传突变是可遗传的，那么接下来就是这些突变也可以对自然选择做出反应，并在没有遗传变化的情况下产生跨代的表型变化。这种变化不符合进化的标准遗传定义——仅仅是各代之间等位基因频率的变化。这个定义是由进化遗传学家狄奥多西·多勃赞斯基提出的，他放弃了基因是可遗传突变的唯一来源的假设。根据这一假设，基因是自然选择能起作用的唯一原始材料，并将在几代人之间产生表型变化。然而，回想一下，达尔文并不知道基因突变和非基因突变的区别。他最深刻的见解是，应用于群体内遗传突变的自然选择可以改变不同世代生物的平均特征，因为这些遗传特征总是与大量幸存的后代相关，并将在每一代的更大比例的个体中表达。将非遗传机制融入遗传并不需要对这个基本的达尔文理论进行任何改变。

非遗传效应

一些母爱和父爱的影响似乎已经演变成帮助后代在他们最可能遇到的环境中获得优势的一种手段。

一种非遗传效应(如母体效应)非常明显，几十年来已被科学认可。根据定义，母体效应表明母体表型会影响后代的表型，但这种效应不能用母体等位基因的传递来解释。这种影响可以通过母亲影响其后代的多种方式实现，包括隔代表观遗传、卵细胞结构的变化、子宫环境、母亲产卵或分娩地点的选择、后代将经历的环境变化以及产后生理和行为之间的相互作用。一些母体效应是母体特征对后代发育的负面影响，包括母体中毒、疾病或衰老的有害影响。其他孕产妇效应代表了可以提高生殖成功率的生殖投资战略。也就是说，这些非遗传效应有时会增强，有时也会削弱母亲及其后代的适应性。

直到最近，母体效应被认为只是一种干扰，也就是说，是遗传研究中环境“错误”的一个来源。但至少，遗传学家认为，在大多数物种中(包括重要的实验室“模型生物”，如苍蝇和老鼠)，父亲只能将等位基因传递给他们的后代。然而，最近的研究揭示了许多父亲效应的例子，包括老鼠、果蝇和许多其他物种。事实上，在有性繁殖物种中，父亲效应可能和母亲效应一样普遍。

后代可能会受到环境和经历、年龄以及父母双方基因型的影响。环境因素(如某些毒素或营养物)可能会引起母体的变化，从而影响后代的发育。正如我们已经看到的，身体功能随年龄的恶化也会影响生殖功能和可遗传的非遗传因素，从而影响后代的发展。

特定基因在亲代中表达后的代表性现象称为“间接遗传效应”。也许与直觉相反，这种影响可以很好地归入非遗传遗传的范畴，因为它们是由非遗传因素的传递所介导的。例如，在父母中表达的特定基因可能影响他们对后代的行为，或者改变种系中其他基因的表观遗传特征，从而影响后代的发育，即使后代没有遗传该基因。

对老鼠的研究提供了间接遗传效应的显著例子。Vicki Nelson和他的同事通过不同的近交小鼠品系培育出了除了Y染色体以外基因非常相似的雄性小鼠。然后他们提出了一个非常奇怪的问题:男性的Y染色体会影响其雌性后代的表型吗？任何在高中生物课上保持清醒的人都知道，女儿不会继承父亲的Y染色体。因此，根据经典遗传学的逻辑，父母Y染色体上的基因不会影响其雌性后代。然而，尼尔森和他的同事发现父亲的Y染色体确实影响了雌性后代的各种生理和行为特征。事实上，父母的Y染色体对雌性后代的影响可以等同于父母的常染色体或X染色体，两者都可以由雌性后代继承。虽然我们还不知道其机制，但Y染色体上的基因肯定能以某种方式改变精子的细胞质、精子的表观基因组或精子的组成，因此Y染色体上的基因可以影响没有这些基因的后代的发育。

一些母爱和父爱的影响似乎已经演变成帮助后代在他们最可能遇到的环境中获得优势的一种手段。这种“预测性”父母效应最典型的例子是，当父母受到食肉动物如水蚤的威胁时，能够诱导后代进行防御。水蚤是一种小型淡水甲壳动物，用一对长长的附肢作为桨，在水中缓慢移动。它们很容易成为食肉昆虫、其他甲壳类动物和鱼类的猎物。当发现捕食者发出的化学信号时，一些水蚤物种会通过从头部和尾部长出刺来做出反应，这使得它们更难被捕获或吞食。暴露在捕食者压力下的水蚤的后代即使在没有捕食者信号的情况下也会长出刺，并可能经历生长速度和生活史的变化，进一步降低被捕食的可能性。这种跨代诱导防御措施也会出现在许多植物中。当被草食动物(如毛虫)攻击时，植物产生的种子会分泌攻击性防御化学物质(或能更快地激活针对草食动物的防御措施)，这种诱导性防御能持续几代。

虽然不清楚大型溞的母亲如何诱导后代的棘突发育，但是一些明显的母系和父系效应的适应性例子涉及到特定化合物向后代的传递。例如，美丽的灯蛾(学名:乌特黑蛾)可以通过食用豆科植物获得吡咯里西啶生物碱。雌性飞蛾会被富含这种化学物质的雄性飞蛾所吸引，这些雄性飞蛾会在精液中储存一些毒素，并将它们注射到雌性飞蛾体内作为“结婚礼物”。雌蛾将这些生物碱整合到它们的卵中，使得它们的后代对捕食者不那么“可口”。

父母也可以帮助他们的后代为可能的社会环境和生活方式做准备，比如沙漠蝗虫(学名:血吸虫)。这种昆虫可以在两种不同的表型变异之间转换:一种灰绿色的“独居”变异和一种黄黑色的“群居”变异。群居品种的特点是繁殖力低、寿命短和大脑大。它们也倾向于形成大的迁徙群体，并能吃掉大面积的植被。当遇到一个密集的蚱蜢种群时，蚱蜢的行为会迅速从孤独转变为群居，雌性蚱蜢经历的种群密度也会决定其后代的品种类型。然而，值得注意的是，整个表型的变化将在几代人的时间内累积，这表明母体效应是累积的。这种效应似乎是由传递给后代的物质(通过卵细胞细胞质和/或包裹在卵细胞上的附属腺产物)介导的，生殖谱系的明显改变也可能起作用。

然而，父母的经历并不一定会让他们的孩子表现得更好。首先，父母可能会误判环境线索，环境可能变化太快，这意味着父母有时会根据错误的情况调整后代的特征。例如，如果水蚤的母亲诱导后代长出刺，但食肉动物从未出现，那么后代将永远长有刺，无法从这一特征中受益。在这种情况下，预期的父母效应实际上可能会伤害后代。一般来说，后代面临着一个复杂的问题，即如何将父母从环境中获得的线索与他们直接从环境中获得的线索结合起来，他们的最佳发展策略将取决于那些更有用和更可靠的线索。

虽然父母的预期效果可能会被错误地伤害，但总的来说，这些效果仍然会受到自然选择的青睐。然而，也有许多父母的影响根本没有适应优势。压力不仅对经历压力的个人有害，对他们的后代也有害。例如，美国伊利诺斯大学的凯蒂·麦克格、艾莉森·贝尔和其他人的研究结果表明，雌性刺背鱼暴露在模拟捕食者的攻击下会生出学习速度慢的后代，它们无法正确应对真正的捕食者，因此比没有经历过模拟攻击的雌性鱼的后代更容易进食。这些影响让人想起人类母亲在怀孕期间吸烟的可怕后果。对人类群体相关性的研究(以及对啮齿动物的实验研究)表明，母亲吸烟并不能帮助发育中的胎儿为呼吸道刺激做好准备，相反，它会改变子宫的内部环境，导致儿童容易出现肺功能下降和哮喘，此外，它还会减轻新生儿的体重，引起生理紊乱等问题。类似地，在从酵母到人类的许多有机体中，年长的父母倾向于产生虚弱或寿命较短的后代。尽管通过生殖谱系传递的基因突变可能导致这种“父母年龄效应”，但似乎非基因遗传起了主要作用。因此，尽管某些类型的父母效应代表了能够增强适应性的进化机制，但其他父母效应显然也会传播疾病或压力。这种“非适应性”亲代效应可与有害基因突变相媲美，尽管它们与特定条件下稳定诱导的基因突变大相径庭。

父母的影响有时会造成伤害，这一事实表明后代应该进化出减轻伤害的方法，或许可以通过屏蔽从父母那里获得的特定的非遗传信息。即使父母及其后代的健康利益非常一致，这种情况也可能发生，因为对于父母及其后代来说，传播虚假的环境线索或父母疾病是极其不利的。然而，正如达斯汀·马歇尔(Dustin Marshall)和托比亚斯·尤勒(Tobias Uller)等研究人员指出的那样，父母及其子女的健康利益很少是一致的，因此父母效应有时会成为父母和子女之间冲突的舞台。个人会选择能最大化自身利益的资源分配方法。当一个人期望在他的一生中产生不止一个后代时，他将面临如何在多个后代之间分配资源的问题。例如，母亲可以通过生产更多的后代来最大限度地提高她们的生殖成功率，即使这意味着对每个后代的投资更少。然而，由于每个后代都可以从母亲那里获得更多的资源，这种“自私”的母亲战略对后代来说是昂贵的，并且可能会筛选出使后代能够从母亲那里获得更多资源的对策。

事情会变得更加复杂，父母的利益也会被分割。例如，大卫·海格指出，父亲通常可以通过帮助子女从母亲那里获得额外的资源而受益，即使这种额外的投资会减少母亲的健康益处。这是因为每当一只雄性有机会与多只雌性一起养育后代时，每只雌性都有机会与其他雄性交配。因此，对雄性来说，最好的策略是自私地从配偶那里获取资源，以造福后代。在非遗传基因进化中，亲子关系和父母对后代投资之间的冲突是一个具有潜在重要性但很少被探究的维度。

饮食对适应性的影响

雄性有角苍蝇之间的区别非常明显:在同一块木头上的一个典型群体中，你可以同时发现2厘米长和5毫米长的个体。

在构成动物生活环境的无数元素中，饮食对于形成达尔文式的适应性、保持健康和许多其他特征尤为重要。事实上，饮食也会对不同的世代产生重大影响。科学家们已经研究了饮食对鱼种苍蝇的影响(学名:长喙尾蝇)。这种苍蝇主要分布在澳大利亚东海岸，在腐烂的木头上繁殖。雄性有角苍蝇之间的区别非常明显:在同一块木头上的一个典型群体中，你可以同时发现2厘米长和5毫米长的个体。然而，如果实验室采用标准的幼虫饮食，所有成年雄性指甲蝇将长成非常相似的体型，这表明野生状态下体型的差异主要是由环境因素引起的，而不是固有的遗传因素。换句话说，足够幸运得到足够食物的蛆会发育成更大的成年人，而缺乏营养的蛆最终只能接受小蛆。

然而，这种由环境因素引起的男性表型变化会一代一代地传播下去吗？为了找到答案，研究人员使用了两种培养基来培养同一个母亲的雄性指甲幼虫，一种是营养丰富的培养基，另一种是稀释的培养基。

研究人员将大群和小群雄性指纹蝇与用相同食物培养的雌性指纹蝇配对，然后测量它们的后代特征。他们发现，较大的雄性指甲蝇会产生较大的后代，随后的工作表明，这种非遗传的父亲效应可能是由精液中传播的物质介导的。然而，由于雄性指甲蝇转移的精子数量非常少，比通常含有某些昆虫雄性产生的营养物质的精液少几个数量级，这种影响似乎不涉及雄性向雌性或其后代转移营养物质。

科学家最近发现，这种效应甚至可能会延伸到其他雄性所产生的后代。安吉拉·克林根据上述方法获得了不同体型的大、小群雄性大趾龙，并将这两组雄性与雌性交配。第一次交配发生在雌性的卵子不成熟时，而第二次交配发生在两周后，此时卵子成熟并被包裹在一个不可渗透的硬壳中。雌性在第二次交配后不久产卵。科学家收集这些后代，并对他们进行基因分型，以确定亲子关系。由于苍蝇的卵只能在成熟时受精(精子通过蛋壳上的特殊开口进入卵细胞)，而雌性储存精子的时间很少达到两周，科学家们毫不奇怪地发现丽蝇科的几乎所有后代都来自第二次交配的雄性。有趣的是，子代的大小会受到母亲在幼虫阶段的第一个交配伙伴的饮食的影响。换句话说，如果幼虫的母亲第一次交配，并且该物体在幼虫阶段是有营养的，那么即使该物体不是它们的父亲，它们也会长得更大。另一项独立进行的实验排除了雌性指甲蝇根据第一只雄性指甲蝇的视觉或信息素评估结果来调整其对后代投资的可能性。由此，我们可以得出结论，来自第一个雄性精液的分子将被雌性体内的未成熟卵吸收(或以某种方式诱导雌性改变发育中卵的输入)，从而影响另一个雄性培育的胚胎的发育。在孟德尔遗传学出现之前，这种非父性的返祖效应(德国进化生物学家奥古斯特·魏斯曼称之为“遗传效应”)在科学文献中被广泛讨论，但早期的证据并不令人信服。最近的研究首次提供了现代证据，证明这种效应是可能的。尽管遗传不属于“垂直”(父母-子女)遗传的一般概念，但它强调了非遗传遗传违背孟德尔假说的可能性。

有充分的证据表明，对于哺乳动物来说，父母的饮食也会影响后代。20世纪上半叶，一些研究者开始对饮食的影响进行实验研究，特别是对蛋白质等关键营养素的限制对大鼠的影响，以便深入了解营养不良的健康后果。在20世纪60年代，研究人员奇怪地发现，怀孕期间喂食低蛋白质食物的雌性大鼠的后代，以及这些后代的后代，都是病态和瘦弱的，大脑相对较小，神经元较少，智力和记忆测试表现不佳。近年来，研究工作转向了解过量或不平衡的营养摄入的影响，使用大鼠和小鼠作为实验模型来进一步了解人类肥胖的情况。现在我们可以证实，母亲和父亲的饮食会对后代的发育和健康产生各种影响，其中一些影响是通过子宫内胚胎干细胞的表观遗传记录实现的。例如，在大鼠中，研究表明雌性小鼠的高脂肪饮食可以减少造血干细胞的增殖，而富含甲基供体的雌性小鼠的饮食可以促进胚胎神经干细胞的增殖。研究还发现，高脂大鼠的饮食会导致雌性后代的胰岛素分泌和葡萄糖耐量降低。人类也有这些影响的证据。

回顾当前对扩展遗传学的研究，我们会想到20世纪20年代的遗传学或50年代的分子遗传学。我们所学到的只会让我们更加了解未知的存在以及我们未来将面临的挑战。然而，毫无疑问，影响了近一个世纪的经验和理论研究的高尔顿假说，已经违背了现在发现的许多情况，这意味着生物学将迎来一个激动人心的时代。多年来，经验主义研究者将忙于探索非基因遗传，观察其生态效应并确定其进化结果。这项工作需要开发新的工具和巧妙的实验。理论研究者也有同样重要的工作，包括澄清观点和做出新的预测。在实践层面，现在在医学和公共卫生领域同样清楚的是，我们不需要成为“我们获得的自然的被动传递者”，因为我们的生活经历在塑造我们传递给后代的基因“本质”方面发挥着非凡的作用。