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[转帖]对于辐射引起高等动物突变的讨论

著名游戏《潜行者:切尔诺贝利之影》刚刚发布的时候,在SC论坛的军事游戏区引起很大反响。但该游戏的剧情中描绘了核辐射造成大量变异怪物产生的情景。本人作为生命科学科研工作者,对该剧情进行了批驳,但遭到了部分军游区网友的不赞同。
但不吐不快,我觉得还是有必要说明一下辐射和物种突变的问题。

首先,电离辐射,也就是俗称的核辐射,的确是强致突变剂,可以引起DNA的断裂从而造成高基因突变率。其作用是: γ射线,α射线,高能质子,银河宇宙射线中的高能重离子,或由其在径迹上将水分子等介质分子电离,产生的次级β射线,在打中DNA的时候可以直接将其打断。这种DNA断裂通常出现在核小体连接处,因为那里DNA链直接暴露,没有组蛋白的保护。而粒子能量够高的话,即使有组蛋白的保护,也无济于事,特别是粒子径迹与DNA螺旋的轴向平行时,可以将局部的整条双链全部摧毁!DNA的断裂导致该区域基因的缺失突变(注意,不是点突变),大规模的断裂将导致染色体畸变。这种破坏是细胞内的DNA损伤修复系统所无法修复的。

这种突变和畸变,如果发生在植物细胞内,将导致细胞功能的巨大改变,很多蛋白质可能因此而缺失,或发生根本性的结构改变,其原有功能也就自然丧失,并可能产生新功能。虽然缺失突变和染色体畸变多数是致死的,但植物细胞的全能性和植物体生长周期短的特性,使得我们可以轻易的对突变种子进行筛选,选择出极少数的有利突变,将其保留。因此,辐射诱变在植物育种中具有重大的作用。

但在高等动物细胞中,这种缺失突变和染色体畸变是致命的。虽然辐射对DNA和染色体的作用与在植物中一样都是造成缺失突变和染色体畸变,但动物细胞只能反映出其中的不利突变。因为有这种突变的动物细胞,绝大多数会发生恶性转化,也就是发展为癌细胞,特别是DNA断裂处正好是某些与细胞生存和调亡相关的调控基因时。这些基因的破坏,将导致细胞内信号传导通路的紊乱,使得癌基因得以表达,抑癌基因遭到抑制。加之辐射作用的大范围性,大批这样的突变细胞,使得机体免疫系统无法及时行使自稳功能,不能及时清除全部突变细胞,导致癌症发生。

那么,动物体在遭到辐射时,是否会有有利突变发生呢?答案是肯定的,肯定会有极少数细胞发生有利突变,或者说是不至于致癌,致死的中性突变。但问题是,这些有利突变不能积累,也无法筛选。因为动物体遭到辐射的所有细胞中,突变的位点不可能一样,个别具有有利突变的细胞是无法替代周围的不利突变细胞和正常细胞的。像电影《蜘蛛侠》中,主角被蜘蛛咬到,引起一个细胞基因重组,之后该突变迅速传遍全身所有细胞的情景,是严重违背客观规律的。要让一个发生在单个体细胞内的突变在全身所有细胞中都发生,是不可能的!该细胞要么因DNA修复不能而被免疫系统清除,要么就发展为癌症。

即使这个细胞没被清除,也没癌变,那么如果它是终端分化细胞的话,不具备分裂能力,只能自生自灭。而如果它是多能或专能干细胞的话,也顶多进行有限分裂而产生数目有限的子代细胞,这些细胞不会取代其他正常的组织细胞,进而被稀释掉,不会使机体产生任何变化。而为什么不会取代其他正常细胞呢?因为机体内对各细胞所存在的选择,只能是体现在生长能力上,能取代其他细胞的细胞,必定具有更强的生长能力。而生长能力超过正常细胞的细胞就是癌细胞,因此没有癌变的细胞就不具备取代其他细胞的能力。

因此,在一个个体的个体发育过程中,绝对不可能出现除癌症以外的表型突变!游戏和影视作品中,某人或某动物因辐射、病毒感染等而变成超人或怪物的情况是不可能发生的!因为一个世代内,也就是个体发育过程中,个别体细胞的突变无法在全身表达,更不用说快速的表型变化。

所以,动物的巨大表型改变,只能是经过若干世代,在选择压力的作用下形成。即使有致突变作用存在,这种进化的速度也是要以百万年计,同时要符合选择压力的方向。而致突变作用造成的致癌,又使得群体内个体大量死亡,所以长期暴露在辐射环境下的种群,往往只能是灭绝而不是进化。

当然,类似辐射育种的突变筛选,理论上也是可以在动物内进行的,只是实验对象必须是生植细胞或胚胎干细胞。因为动物细胞不具备发育全能性,体细胞的突变既不能筛选,也不能遗传,只有在生植细胞和胚胎干细胞内发生的突变才有可能遗传,也才有可能在整个个体内的全部细胞内进行表达。但动物和植物不同,生植效率低,生长周期长。辐射等致突变作用如果引起生植细胞突变,会因为生植细胞数和子代基数都小,产生有利突变的几率就更低了,完全可以忽略不计。生下的子代个体,往往因为有缺陷而死亡,或是成为畸形儿。我们平常做实验需要用到放射性同位素的时候,都要穿铅服,主要就是要护住自己的生植器官,而尚未生育的女同志,一般都不会让她们去做同位素实验。这不像种子,你一次实验可以做个几万粒,高等动物你怎么做这么多呢?而对于胚胎干细胞来说,数目比生植细胞更少,仅对少数细胞进行辐射诱变,就像得到有利突变,简直是天方夜谭!因此,这种筛选只具有理论上的可能性。

在这里,我想再简单介绍下发育全能性这个问题。动物和植物细胞的最根本区别之一就是发育全能性的有无。植物的体细胞经过分离后可以直接发育成完整个体,因此被公认为具有全能性。而动物的体细胞是无法发育成完整个体的,因此不具有全能性。而动物的体细胞克隆实验(著名的多莉羊实验)证实了动物体细胞的细胞核是具有全能性的,但整个体细胞仍然不具备全能性。这只是最基本的生物学事实,我下面要说的是全能性的原理。

植物细胞具有发育全能性,是因为在组织分化过程中,植物基因的时空表达调控是由个体内水分、养料、代谢废物以及4种植物激素的分布和浓度梯度来调节的,这些物质在单个细胞内的浓度和分布决定了该细胞发育成何种组织。从根本上来说,就是植物细胞内基因的表达调控基本上由环境条件来控制,当环境条件改变时,基因的表达调控也会随之改变,这一过程是完全可逆的。因此植物体细胞具有发育全能性,只要改变环境条件,发育过程可以倒退回胚的阶段,并从头开始。

而动物细胞的分化由母体效应因子控制。所谓母体效应因子,即是在卵母细胞中存在的,来自于母体的分化调控蛋白和mRNA。以哺乳动物为例,卵母细胞在卵巢里发育成熟的过程中,要不断吸收来自周围滋养细胞所分泌的蛋白因子和 mRNA,这些物质在卵母细胞的细胞质中呈空间上的有序分布,形成梯度。在成熟的卵母细胞受JING后,形成的受JING卵内,这些母体效应因子开始发挥作用,调控着从此直到个体成熟的发育过程。受JING卵从最初卵裂直到形成囊胚阶段(或者是到8细胞胚阶段,我记不清了...)形成的细胞,都是胚胎干细胞。这些细胞内,母体效应因子的浓度和分布与受JING卵基本上一致,所有细胞的发育潜能都是一样的,这是真正的全能干细胞。然而在此后的分裂中,3个胚层分化形成,细胞便永久的失去了发育全能性,这都是因为母体效应因子因细胞分裂被不均等稀释。这种变化是不可逆的,因为新个体无法再生或补充母体效应因子。从这一阶段开始,体内便只能有多能干细胞和专能干细胞,前者如神经干细胞和造血干细胞,可以分别分化成多种神经组织和多种血细胞,具有多分化潜能;而后者则只能分化成单一种类组织,如皮肤真皮层的生发层细胞,可以分化成上皮细胞,不断补充死亡的细胞。成熟动物的体细胞中,是不存在全能细胞的,这是最基本的发育生物学原理。而体细胞克隆实验中,是取了羊乳腺细胞(是完全分化了的终端分化细胞,不具备任何发育潜能,连专能干细胞都不是。)的细胞核,将该核移植到另一只羊的去核卵母细胞中,再行植入子宫内完成胚胎发育。之所以必须进行核移植,就是要利用卵细胞(实为卵母细胞)内的全套完整的母体效应因子,否则是不可能发育成胚的。



综上,高等动物在少世代内是不可能因电离辐射等致突变作用而发生巨大表型改变的,特别是具备完备免疫系统的哺乳动物。要发生巨大的表性改变,必须经过多个世代的长期积累,而辐射这种高致癌和致死的效应,又使进化过程难以实现。简单来说就是,这样高速的突变,高等动物受不了。

由于当代大量的影视作品以及游戏,都大量宣扬辐射或诱变剂导致动物在少世代甚至一个世代内发生重大表型突变的情节,致使群众对事实的理解遭到误导。也导致了群众对于生命科学研究的误解,产生了本不该有的恐惧和偏见心理。比如很多群众对于生物学实验室的第一反应就是突变的异型。而绝大多数影视作品和游戏中对于生命科学研究工作者也都是持负面描写,不是在制造怪物就是在搞克隆人,而这些科研工作者最终也都没得什么好下场,经常都是被自己制造的怪物杀死。然而实际上,我们生命科学的研究人员所做的都是以治疗现有疾病为目的的基础或应用研究,制造怪物并没有实际价值,也不会成为科学界的主流。虽然我上面说过,在理论上,通过基因工程是可以制造怪物的,但这不是几个世纪之内能做到的事情。因为在目前,尽管人类基因组计划的第一阶段已经胜利完成了,我们得到了人类全部基因的物理图普,但对这些基因,或者说是某个特定基因的全部功能都仍然没有了解,其复杂的表达调控机理也仍然无法完全搞清楚。因此现阶段,不要说通过改造已有基因组得到新功能和新物种,我们就连癌症等传统疾病都还无法攻克,制造怪物更是不可能的。

我希望,各位崇尚科学的朋友,能够在接受信息的同时进行分析,不要被媒体所误导。

    此文由 order66 发表:
    想请教一下LZ,切尔诺贝利的大蚯蚓是真的还是假的?


蚯蚓本身就有很多品种,切尔诺贝利是否有巨大蚯蚓我没做过研究,如果有的话,只能是这么造成的:

1. 大蚯蚓本来就存在,但在该地的环境下被选择出来并大量繁殖了。小蚯蚓因辐射都死了,而大蚯蚓基因修复能力强,能在辐射条件下存活,被保留了下来。

2. 蚯蚓的繁殖世代短,使得其在辐射存在下发生了高速进化,但这种进化仍然是要服从选择压力的,不是随机的表型改变。同时,蚯蚓属于环节动物门,较为低等。

上面的第2条,只能是在这种蚯蚓确实存在的条件下进行的推测。而这种蚯蚓存在与否,还要靠实地考察来证实。我估计这又是骇人听闻的骗局,因为如此高速的进化,太不现实。而如果这是事实的话,必定轰动学术界,但我却没听说过。听到的只是民间的传说。还有,要是辐射引起蚯蚓改变的话,为什么不是变小而是变大呢?可见有为了吸引人而炒作的因素在内。

Rind         完全支持楼主
楼主的主要意思连同我的补充如下:

1.辐射破坏DNA,如果是在正常的体细胞中,这种破坏造成的影响是无法传递到全身其他细胞的,其面临的前途只有消亡或者癌变。事实上,细胞内有大量的原癌基因和抑癌基因,原癌基因的非正常表达和抑癌基因的非正常不表达都会引起细胞癌变,可能性是很大的。
2.如果辐射影响了生植细胞,那么有非常小的机会造成有益的突变,但这是在大量的遗传代价下面的,可能几百万个个体才能产生1例,在高等动物低下的生植能力下,可能性几乎是0。事实上,辐射影响生植细胞通常的后果是不育。

此文由 白熊~ 发表:
提几个问题

1,放疗。放射线也用于癌症治疗。看来实际情况并非lz所说的非A即B,可能要复杂得多。辐射在致癌的同时也有可能在削弱癌。
这恰恰说明了辐射对细胞的杀伤力,也就是说辐射对细胞的主要作用是杀死,致癌是小几率事件,而有益突变是小几率中的小几率了。

2,几率。lz所说的是大部分情况,而一般科幻影视所说的是个别效果,或者说科幻世界中的罪恶研究部门筛选并放大了个别效果。因此对于科幻来说,只要有可能就够了。科幻崇尚墨菲定律,现实中也有一定道理。请问,宇宙中一个行星上出现像人类这样生命的几率有多大?应该不是很大吧,甚至小的不可思议,但这确实发生了。无限小不等于零。
真要出现科幻电影中的个别效果,要求动物的繁殖能力必须超级强才能达到一个能让严重突变后的个体能够存活的基数。比如说10w个动物个体的生植细胞都受到了辐射影响,其中1个得以留下突变后严重变异但是能够生存的后代。10w的基数应该说还是太少太少,考虑到微生物的突变往往是亿中挑一,而微生物的基因组简单得多。个人觉得也许老鼠有一点可能,其他牛啊马啊羊啊也就是是出现个大瘤子的命运。有人拿生命产生的小概率事件来比较,不要忘了行星的数量,也就是这个事件的基数是很大的。

3,lz说自己没研究过变异怪物,同时认定那是不可能的。听起来就像一个人在极力否认他不够了解的事情。如果说,我们眼下研究课题之外的东东都是谬论…………幸好这个论点没有在 100年前成为真理,否则我们的世界将不再是这个样子。事实上现在相当多的真理在过去某一时期内都被当时的学者们认为是谬论。
我们不是没研究过变异怪物,只是所谓的变异怪物不会像电影里面那么离谱。从严格意义上来说,我们现在养的奶牛这样产奶,金鱼这样好看,都是变异的结果。但是这是一个长期突变后选择的过程,不会像电影里面那样爆发式的产生。lz并不是在否认他所不了解的事情,而恰恰相反,他从了解的事情出发,所作的一点小小的推论而已。就像你知道生命离不开水,所以你可以做出推论说离开水,我养的小狗就要死翘翘。但是这个规律也许在别的星球别的生命形式上不通用,可是就我们目前对宇宙生命的了解而言,你愿意接受可怜的小狗狗不会渴死的结论吗?

4,癌症。顶楼的很多结论是以这个词结尾的。但很多医学病例中癌症并非全是句号,而是一个糟糕的发源地。如果癌症本身不足以引起表型突变,那癌症引起的病变是否有改变外形的能力?如果有条件,推荐大家在没有进餐的时候去解剖室看看那些病变器官,也许那可以为你节省一次看恐怖电影的票钱。再者,谁说怪物的突变都是有利无害的、且进而能够确保它们舒适享受百八十年生活后安然入土?怪物嘛,癌就癌呗.
这点与lz的观点不矛盾,lz强调了,突变分可遗传的和不可遗传的。体细胞的突变引起的癌症,造成生物外表如何的变异也好,就是这个1个而已,没办法形成相同的很多个体。而癌症毕竟是局部的,头上顶个瘤子不稀奇,但是不会引起个体身材大了一倍,或者变得很聪明,或者可以飞檐走壁了。

5,lz在上文中提到“所以长期暴露在辐射环境下的种群,往往只能是灭绝而不是进化”这个观点。好吧,实际上可见光也是一种辐射,地球上的生物们始终暴露在这种辐射环境下,甚至还有一些可恨的绿色植物通过光合作用从这种辐射中受益。
辐射强度有大有小。不会真的要把可见光或者无线电波跟核爆炸的辐射作比较吧。

6,lz在1楼的观点也有问题。我猜猴子们大概不会像人类这样了解**和卵细胞的结合原理吧?难道它们就无法交配并繁育后代了?同样,人类也并非都要等待揭开了所有基因秘密、攻克了所有传统疾病难题才能在怪物创新方面有所作为。
猴子能做出转基因动物?还是猴子能改造奶牛?

事实上我很崇拜lz的事业,即便没有怪物也一样崇尚。同时也稍微能够理解lz想端正视听的善意。只是…………作为您忠诚又刻薄的读者,尽百般挑剔之能行无限狡辩之事实在是一种令人难以割舍的乐趣。
虽然科学永远有时代性和局限性,但是接受科学及其合理的解释在绝大部分情况下并不是一件吃亏的事情。
随便写写,等lz来好好回答吧

回16楼朋友的几个问题~

1. 放疗是对癌细胞的靶向电离辐射杀伤,旨在直接杀死肿瘤病灶。所用剂量高,同时具有精确性,不是对整个机体进行照射。放疗确有可能伤及正常细胞,不过都是直接杀死,因为剂量非常高。放疗期间,患者必须服用加强免疫系统功能的药物,以尽量避免可能的新癌变。

2. 几率的问题,17楼的朋友说的很好了。

3. 我写此帖的目的就是要通过理论上的推理来证明怪物不会出现。在发育生物学和遗传学的基本原理方面,我是有所研究的。怪物不会出现的问题,正是这些理论所可以解释的。我只是没有研究过,或者应该说是没有调查过具体的怪物案例。

4. 关于癌症的问题,这个说起来比较大,我就简单叨咕两嘴,再想多说我就得去查资料了。癌细胞是在遗传背景改变的情况下,发生的生长不受控制的细胞。癌可以特指由表皮发源的恶性肿瘤,也可以泛指一切恶性肿瘤。癌细胞的特点是,分化程度降低,基本失去原有功能,生长不受控制,疯狂复制分裂,吞噬正常组织,使器官无法行驶正常的生物学功能。同时癌细胞具有侵袭和转移能力,细胞同质性黏附降低,异质性黏附增强,使得其可以穿透血管、淋巴管在全身游走,转移到体内其他器官和组织,再次生根发芽,形成转移灶,破坏当地器官。在癌症发病过程中,表型改变是肯定的,那就是各种病变器官功能降低,出现明显瘤灶,并在一定时间后剥夺患者生命。肿瘤学也是一门独立学科,也非常复杂,再多说恐怕我就要出现错误,因为没有查阅资料,还望谅解。

5. 我所说的辐射是特指电离辐射,可见光、红外线等电磁波的辐射都是电磁辐射。

6. 在没有获得基因组功能图谱之前就对其进行摸索性修改,是可以的。但想获得点什么结果,恐怕就要进行大量的实验,得到结果的概率低得难以想象。同时,每次实验必须是对动物个体发育过程的全程观察。基因组修改,肯定不是对单一基因的修改,特别是想得到巨大的表型改变时。人类2.5-3万个基因,你一次修改几个?能有多少种组合方式?每个基因又怎么修改?所以想真正人造新物种,就必须在对基因组内大部分基因有充分了解的基础上才能进行。这种研究所需要耗费的人力、时间和经费实在无法想象。基因组的庞大和复杂性是常人难以想象的,所以这种摸索肯定是得不偿失的。我们现在已经初步掌握了基因组修改的技术,但怎样修改?修改哪些基因是我们所不知道的。



再回19楼的朋友~

1. 电离辐射的次级辐射,是由高能粒子击中径迹上挡道的介质分子,使其激发电离而放出表层电子(β粒子),不属于核反应。而α粒子并不属于次级辐射,这个是我主贴里写错了,刚刚发现,实在不好意思。(已经改过来了....) 这种产生次级辐射的现象在著名的云室实验中就可以直观的观察到。

2. 育种的问题,我主贴内已经说过了。

3. 电离辐射造成的缺失突变,不仅仅是使某些基因丢失,同时也造成新蛋白和无功能蛋白的表达。这在植物中可以提供新性状,但在动物中则导致癌症。因为和生长调控相关的基因在基因组中遍布,这些基因的上调或下调都会造成恶性后果。而严重缺失造成的染色体畸变则影响更大,更为复杂,比如在断裂的同时产生易位和倒位,很多基因的启动调控序列被改变等等。一个本来被沉默的癌基因因为染色体畸变而被连接到了某管家基因的强启动子下,那后果就不堪设想了。表达调控网络中任何元件的破坏,都可能导致癌变。多一条不正常的染色体所产生的作用,远远大于少一条正常染色体所起的作用。

谢谢Rind帮忙解释~

还有就是,小鼠的基因组并不简单(已于2003年完成全基因组测序),和人类90%同源,二者只有约3000个各自独有的基因。

    此文由 Rind 发表:
    我的意思是小老鼠的繁殖能力强,


原来如此啊,呵呵~

不过小鼠单次繁殖的数量和人类的差距还是在一个数量级内,改变不是根本性的。
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评分次数

  • daiwei9407

传说的沙发么
看看的说
我靠……这种高难度的科学问题,太复杂了
好难懂的样子…不看了
突变成什么样不是自己能决定的
表示看不懂…………太复杂了…………
。。。。。。好高深的问题啊,表示看懂的并不多
太长了  没耐心看
有的地方不太懂 但还是感谢分享
为什么还有这种那么可怕的科普贴子
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