果蝇与我 开眼「基」制相同

果蝇与我 开眼「基」制相同
果蝇身上有一个eyeless基因,是果蝇发展出复眼的重要基因,可以开启眼睛发育的程式.人和小鼠身上也可以找到类似功能的基因,即使果蝇和人的演化差了十万八千里,尤其眼睛更是完全不一样,但控制眼睛发育程式最上游的开关却无二致.
由国科会主办,台湾大学物理系及天文物理研究所协办,联合报、公共电视、科学人杂志、NEWS98合办2008秋季展望演讲,第三场由中央研究院分子生物研究所研究员孙以瀚主讲,讲题为「由基因看演化─从果蝇的复眼谈发育的演化历程」,带领听众从比较解剖和基因两个角度,分析眼睛的演化.
眼睛 完美又复杂
孙以瀚说,「谈演化时,眼睛是个很重要的事情.」达尔文「物种原始」第六章「理论的困境」中「极端完美复杂的器官」一节,就是在讲眼睛.
达尔文先说眼睛这麽完美的器官,如果说是天择而成,似乎是极端的荒谬,但这只是伏笔.眼睛的演化,在达尔文的演化论里是个正面且重要的例子,他认为他可以解释这麽困难的问题.
反对者认为,眼睛这麽复杂这麽完美,只有可能出自造物者的设计,不可能是演化来的;演化论者则认为,其实眼睛并不完美:眼睛有盲点、光线要穿过整个眼球才会到感光细胞.
演化 起源很多样
孙以瀚指出,有的学者从比较结构、光学设计、发育过程,推论眼睛的演化可能有很多次的独立起源,最後达到同样的功能,是个趋同的演化.
他说,生物有各式各样的眼睛,构造不同,光学性质也不同.昆虫的复眼跟人完全不同,干贝有很多小眼睛,里面有类似镜子、可反射光线的细胞,称为「镜式眼」.涡虫头部有很多小眼睛,每个小眼睛只有一个感光细胞,一个色素细胞,色素细胞的屏障使光线进入眼睛有方向性.
果蝇的复眼是由许多小眼组成,排列规律.每个小眼像长筒子,有八个感光细胞,有个小镜头,周边有素色细胞的屏障,使得每一个小眼都只能看到某个角度的光线.光线射进直筒,被感光色素抓到机会很大,所以对光线很敏感.感光的信号最後透过神经细胞的轴突,传到脑去.
各种生物有很多运作原理是相通的,也就是说生命的基本工厂是一样的.原本大家以为果蝇和人的发育调控应该不一样,但後来科学家发现生物发育的基础调控机制是共通的.
瑞士巴塞尔大学的科学家Walter Gehring发现缺了一个基因,果蝇的复眼就不见了,称为eyeless基因 (ey),属於pax6基因家族.这个基因是转录蛋白,可调控下游基因的表现.
细胞 基因说了算
Walter Gehring把ey基因表现在眼睛以外的地方,称为异位表现,结果果蝇在触脚、腿的地方长出眼睛.孙以瀚说,「这个基因决定细胞长成复眼的命运」.
孙以瀚说,ey基因是复眼发育的主控基因,是是可以打开复眼发育程式的开关,只要上游一个开关打开,就可以启动下游的整个复眼发育程式,让2500个基因参与复眼发育.
後来发现小鼠和人的pax6基因突变,也会影响眼睛的发育.如把人的pax6基因放进果蝇,结果发现可以让果蝇长出多余的眼睛.孙以瀚解释,这代表即使人和果蝇演化上相差这麽多,但pax6基因的开关功能是一样的.因为放入的人的Pax6基因只是作为开关,下游的发育程式还是果蝇的基因,所以长出的是果蝇的眼睛,不是老鼠的眼睛.
相反的,把果蝇的基因放进脊椎动物─非洲爪蟾的胚胎,当注入的RNA达到一定量时,会长出两个眼睛,虽然不是完整的眼睛,但仍有部分的功能.
孙以瀚强调,果蝇和人的演化上差了很多,尤其是眼睛完全不一样,但最上游控制整个发育程式的开关竟是一样的.这代表,眼睛的演化可能是单一的起源,都是由这个基因来控制,果蝇到人,即使最低等的生物如涡虫,都有这个基因的存在,功能都似乎与眼睛发育有关.
幼年的水母,表面有好多个眼睛,每一个眼睛就只是一个细胞,里面有色素的颗粒,有感光的绒毛,还有运动的纤毛,感受到光线後,能让身体对光起反应.水母幼虫的眼睛,是一个细胞什麽都包了,有人说这可能是最早的眼睛的形态.
孙以瀚解释,有人推测,原来一个细胞,在演化过程中分工成两种细胞,一个负责感光,一个负责色素,愈分工就愈专精,最後就成为现在看到的各种眼睛.
眼睛的发育与演化,科学家从一种方向的分析,结论是是多元的起源;从另外一种方向分析,则得到单一起源的结论,显然有很多是未知,有很多的谜要解.
眼睛是个视觉器官,不会独立演化,视觉一定要跟脑配合才有意义,要让生物对光出现反应,才有功能,才能进行天择,这是值得探讨的方向.