作者：卢平
编辑：Yuki
从数十亿年前的原始单细胞生物开始 ， 地球生命的演化之路就充满着革新：细胞核形成——有性生殖发生——多细胞生命出现——组织分化——器官形成——由海生到陆生……在枝繁叶茂的生命之树上 ， 无数新的功能和结构让众多物种能够适应不同的环境和资源 ， 各居其位 。 而所有这些创新的根源 ， 几乎都来自于每个细胞中的一套基因组中 。
基因组本身是DNA分子长链 ， 可比作一串ATCG四种碱基组合排列成的信息序列 ， 其中的一段段功能单位就是我们常说的基因 。 在演化过程中 ， 新功能的实现往往需要新的基因 ， 那么 ， 基因组中这些实现新功能的基因是从哪儿来的呢？
一生二 ， 二生三 ， 三生万物
要制造一段有完整功能的复杂基因 ， “白手起家”肯定是很难的——如果凭借随机突变从无意义的序列中创造新基因 ， 过程将会极其漫长 ， 难以满足生物体适应环境变化的需求 。 不过 ， 虽然从无到有难以实现 ， 但从现有基因中“复制+粘贴”就会容易许多 。 新基因产生的一类重要机制 ， 就是基因复制（gene duplication） 。
这里讲的基因复制 ， 与DNA复制（DNA replication）的概念不同 。 基因复制是指一段基因序列在基因组中拷贝数的增加 ， 这种现象可能由细胞分裂时基因组复制过程的错误导致 ， 也有可能是由于某些逆转录特性的因子把DNA片段插回到了基因组中 。 这种复制事件的规模最大可到整个基因组或者一条染色体 ， 也可以小到几个基因或者一段基因残片 。
同一条染色体上发生的串联复制（tandem duplication）事件 ， 一个染色体区域变成了头尾相接的两份 | wikimedia ， 汉化：卢平
在随机突变的破坏下 ， 大多数复制产生的基因拷贝都沦为了“垃圾序列” ， 但也有些拷贝为新基因新功能的产生提供了优良材料——它们自身带有基因表达所必需的基本结构 ， 能指导合成蛋白质 。 如果这样一段序列在“沦落”之前恰巧获得了有益的突变 ， 使得所合成的蛋白质有了执行新功能的“苗头” ， 那它就有可能在自然选择中得以保留 ， 并继续改造成崭新的基因 。
基因复制产生功能分化 ， 很可能是演化历史中塑造基因组的重要力量 。
阴阳两仪 ， 各取所需
有性生殖是生命历史中的一大创新和挑战：同一个基因组需要指导完成雌雄两套生殖系统的发育和执行功能 。 这两套系统既是同源又男女有别 ， 意味着它们需要执行的功能类似 ， 但又不可能完全一样 。 如果用同一个蛋白去在雌雄两性中勉强实现这样两个类似功能 ， 最后很可能是按下葫芦浮起瓢 ， 两头落不着好 。
那么 ， 在演化中 ， 这样两套系统是如何逐步完善的呢？
你可能已经想到了：基因复制产生的两个基因拷贝 ， 正好可以作为新功能演化的起点 ， 雌雄两性各使用一个 ， 也不必再打架了 。 去年 ， 芝加哥大学的Nicholas VanKuren博士和华裔演化生物学家龙漫远教授就在黑腹果蝇中发现了这样一个有趣的例子——在短短二十万年的时间里 ， 一个基因复制事件为果蝇的两个性别分别提供了适合于自己的功能基因[1] 。
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