1. 進化中的遺傳秘密：基因的變遷造就了豐富多彩的現代生物 

（Genetic Secrets of Evolution-Gene Variation Contributes to the
Variety of Existing Creatures）

鼴鼠為什麼不怕酸

章魚調節RNA適應水溫變化

水質酸化改變魚類行為

酵母可利用錯誤折疊的蛋白

育種使西紅柿損失了原有的滋味

北極熊的進化起源

罕見突變的傳遞

實驗室大腸杆菌的進化史

無家可歸？

細菌如何識別磷

血型的起源

人類的遺傳多樣性在近期爆發式增長

皺手指抓得更牢

鴿子的冠羽僅源自一個基因

藻類從借來的基因中受益

所有的大王烏賊都是一個物種

乙肝病毒年代久遠

狗可能來源於已經滅絕的狼

人類與猿類在進化上分離的時間比過去認為的更早

2. 隱藏在基因中的行為模式——是什麼決定了“規律” 和“習慣”？

（Behavior Patterns Hidden in Genes-the Cornerstone of ‘Laws’ and
‘Habits’）

喫與睡的平衡

外向型的蜜蜂擁有不同的基因

白天麻醉蜜蜂會給它們造成時差

DNA上的標簽可能決定蜜蜂的行為

基因可能與受教育水平相關

同步之謎

采摘之後蔬菜的生物鐘會繼續工作

滿月意味著更少的睡眠

鞭毛停擺賦予細菌駕駛能力

樹懶、蛾和藻類，三方互惠共生

睡眠不足對幼年果蠅大腦不利

基因可影響安慰劑效應

細菌的行為開關

3. 健康密碼——探索疾病的根源和對策

（Genetic Code of Health-Exploring Causes and Therapies of
Diseases）

3.1長壽之謎 

通過DNA 特征辨別百歲老人

DNA可能決定死亡時間

太空旅行延緩衰老

低熱量食譜未能延長猴子的壽命

禁食激素延長壽命

端粒長度與死亡風險有關

喫堅果可以延年益壽

減少痛覺可能延長壽命

唾液酸結合免疫球蛋白樣凝集素家族（Siglecs）蛋白與物種壽命相關

3.2抗擊腫瘤 

減輕體重可能降低腫瘤風險

在腫瘤中搗亂的蛋白

特定細胞可形成腫瘤

測定乳腺癌的基因譜

用磁場殺死腫瘤細胞

用病毒治療癌癥

治療卵巢癌的希望

知名腫瘤的DNA 已被破解

可區分大腦和腫瘤的設備

腫瘤中位於基因之外的突變

老藥物的新作用

維生素C 可增強化療藥的作用

促進細胞抵抗腫瘤的新藥物

成群細胞有助於乳腺癌擴散

精確定位真正的腫瘤突變

3.3 心腦血管疾病

異常細胞可預示心髒病風險

“有益”膽固醇並沒有那麼好

非甾體類抗炎藥（NSAID）與心髒病風險相關

修復受損的心髒

心髒缺陷可能是某些中風的根本原因

按時喫飯纔能喫得健康

3.4 病毒與疾病

登革疫苗臨床試驗結果令人失望

新型豬流感可能感染人類

埃博拉病毒可通過空氣傳播

流感比疫苗對胎兒的威脅更大

丙肝藥物追蹤病人的RNA

流感病毒通過空氣中的顆粒物傳播

對流感的免疫反應在多年後仍可活化

人體病毒組

抗流感的免疫反應特性取決於基因

3.5 免疫繫統相關疾病

快餐與哮喘風險相關

治療過敏性哮喘的潛在靶蛋白

基因可影響人體共生的微生物種類

免疫繫統也有日常節律

抑制小鼠的自身免疫病

用分泌膠原的細胞治療膿毒癥

環境對免疫繫統有重大影響

早期暴露可預防花生過敏

3.6 微生物與健康

腸道菌群可能對動脈產生影響

治療瘧疾的候選藥物

抗感染的關鍵時刻

微生物可抑制腸炎

瘧疾疫苗早期試驗取得成功

小狗帶回家的塵土可能使嬰兒的免疫繫統受益

人類消化道微生物多樣性較低

3.7 遺傳印記與基因治療

基因治療可幫助血友病患者

同卵雙胞胎在母體內已有所不同

新技術可使唐氏綜合征染色體失活

基因治療的安全性獲得改進

DNA上的化學標簽

DNA 可預測干預治療能否成功

3.8 移植和再生

聽覺細胞的再生

小鼠干細胞可分化成有活力的卵細胞

使用新鮮細胞重建腎髒

人體克隆技術進展為個體化醫療帶來新希望

用干細胞制造的小型肝髒

實驗室制造出類似小型人類大腦的結構

腎移植排斥反應測試 

促進肌肉再生的物質

催產素可促進老年小鼠的肌肉修復

縮小版的人類腸道能在小鼠體內生長

3.9 熱量與健康

燃燒脂肪

對糖尿病患者而言瘦並不總是有利的

嬰兒早期接觸的食物影響糖尿病風險

早產與孕前的飲食相關

4. 基因工程技術的傑作

（Masterpieces of Genetic Engineering Technology）

六個胚胎融合而來的猴子

成年女性也許能補充卵子

編譯精子遺傳藍圖

DNA交換可以避免罕見遺傳病

心髒指示器

條人工合成的酵母染色體

DNA折疊的藝術

 人體是數十億細胞包裹著數萬億細胞構成的一個整體。細胞們受到基因的支配，這些DNA片段給身體提供各種指令，包括骨骼和大腦的構建、心髒的跳動、將食物轉化為能量、抵御疾病侵襲、甚至（至少在某種程度上）決定我們的外貌和人生觀。基因是遺傳的單位，而細胞是生命的單位，這兩個基本概念是現代生物學的基石。當生物學家探索生長發育、物種進化、生物間的相互作用等科學問題時，他們常常能在基因和細胞層面找到答案。此外，當機體患病或遭受損傷而無法正常工作時，也是基因和細胞出了問題，並且能在這二者中找到解決之道。

    “細胞”這個詞已有幾個世紀的歷史。20世紀60年代，英國博物學家羅伯特·胡克（Robert Hooke）用早期的顯微鏡觀察了死亡的植物組織之後，發明了這個詞。在接下來的幾個世紀中，科學家陸續鋻別出細胞的不同部分，檢測了不同類型細胞的可變性，並且探索了細胞分裂、死亡等相關活動的生物分子信號。“基因”這個詞則要年輕得多，但它的發明仍可追溯到20世紀初。丹麥植物學家威廉·約翰遜（Wilhelm Johannsen）使用這個詞來代表格裡哥·孟德爾（Gregor Mendel）在著名的豌豆實驗中所描述的不連續的遺傳單位。當時，這還是一個很抽像的概念，但現在科學家對基因的認識已經清晰很多。主要的研究進展包括，在20世紀50年代破解了DNA的雙螺旋結構，以及在21世紀來臨時解析了人類基因組這部完整的“生命說明書”。

    對進化生物學家而言，基因就是一座金礦。目前已完全破解了包括多種細菌、狗、雞、黑猩猩及海鞘等超過150種生物的基因組。另外也對許多其他物種的DNA進行了一定程度的研究。在物種內或物種間進行比較，有助於增進我們對生物進化樹的理解。本書中的研究內容涵蓋過去5年的時間，這段時期，科學家在鋻別人類與其已滅絕的近親之間的關繫方面取得了巨大的進展。此外，在其他動物中也有可喜的發現：現在的北極熊家繫可追蹤至一種愛爾蘭的棕熊；各地的大王烏賊都屬於同一個物種；某些鴿子的花哨冠羽都源於一個基因突變。這些隻是生命劇本中眾多故事的冰山一角。

    然而，基因並不隻反映了我們的過去。它們亦會驅動今天及未來發生在我們身上的事情。在基因和細胞中，能夠找到機體衰老的線索。例如，一項近期研究發現控制炎性反應的基因與長壽有關。此外，癌細胞實際上來自我們自身，關鍵基因的突變使正常細胞失控。不屬於人類的基因和細胞對我們的生命也有巨大影響。新研究發現，微生物組——即人體內或體表寄居的單細胞生物的總稱——在健康和疾病中發揮了實質性的作用。現在能上頭條的那些嚴重疾病（如埃博拉、禽流感等）有許多都是病毒引起的，在某種意義上，病毒就是在細胞外四處旅行的基因。因此，科學家從基因和細胞中尋求疾病治療方法並不是什麼令人驚訝的事。培育新的細胞和編輯基因是熱門的兩種抵御疾病的方法。

    現在，我們對基因和細胞都非常熟悉，因此這兩個概念聽起來都十分直白甚至簡單。但是，這兩個基本單位是地球上所有已知生物的基礎，並且構成了生物界的全部復雜性。

美國《科學新聞》雜志社（Science News）

2016 年9月

章魚調節RNA 適應水溫變化

對遺傳信使進行微調是一種有效的適應方式

雷切爾·埃倫伯格

    雖然南極章魚與熱帶章魚的神經繫統類似，都有同樣的基因編碼，但冰冷的海水並沒有使南極章魚的速度減慢。現在科學家已經探明了這其中的奧秘， 傳遞遺傳信息的“信使”編譯不同，導致兩種章魚的神經細胞結構不同，從而確保在令人麻木的極地水域，章魚仍能靈活運動。

    這項研究發表在2012年1月5日出版的《科學》雜志上，是首次發現信使RNA編輯可以幫助物種適應環境。

    在低溫環境下，神經細胞傳遞信號的速度會降低，因此科學家希望通過比較近愛爾蘭的鬥蠨（Pareledone，一種生活在南極冰水中的章魚）和真蠨（Octopus
vulgaris，一種生活在溫暖水域的章魚）的基因差異來確定影響神經繫統結構的基因。然而，令人驚訝的是，這兩種章魚的基因組基本相同。

    波多黎各醫科大學（the
University of Puerto Rico Medical Sciences Campus）的神經生物學家約書亞·羅森塔爾（
Rosenthal）說：“我們本以為它們的基因會有所不同，沒想到它們基本是一樣的。”

    DNA通常位於細胞核中，當需要用到它們所攜帶的信息時，DNA的不同區域可復制出多個不同的副本。因此，羅森塔爾和他的研究生桑德拉·加勒特（Sandra
Garrett）進一步研究了這些DNA的副本——信使RNA（mRNA）。研究發現，在極地章魚及熱帶章魚的神經細胞中，有一種編輯mRNA的酶，通過不同的編輯方式使兩種章魚的mRNA發生變化。

    不同的mRNA編輯方式改變了神經細胞在傳遞電衝動時的通道開閉模式，從而提高了南極章魚神經衝動的傳遞速度，並降低了熱帶章魚的信號傳遞速度。

    紐約羅切斯特大學的分子生物學家餘一濤（Yi-Tao
Yu）認為，這是一項有趣而精彩的研究。

實驗室大腸杆菌的進化史

長期實驗追蹤了某個性狀的重現

蒂娜·赫斯曼·澤伊

  
 一項新研究表明，數千代微小遺傳變異的積累，可以導致進化上的大躍進。

    在某個實驗室培養了25年的大腸杆菌獲得了一項自中世紀以來從未有過的新技能：在有氧的條件下分解利用檸檬酸。密歇根州立大學的進化生物學家扎卡裡·布朗特（Zachary
Blount）和理查德·倫斯基（Richard
Lenski）等人在2012年9月27日出版的《自然》雜志上發表論文，描述了大腸杆菌在獲得這項新功能過程中的分子事件。

    新西蘭梅西大學（Massey
University in Auckland，New
Zealand） 的進化遺傳學家保羅·雷尼（Paul
Rainey）認為，對大腸杆菌而言，獲得利用檸檬酸的能力就如同多細胞生物進化出眼睛或翅膀一樣，是一個進化上的大事件。

    大腸杆菌的祖先曾經擁有過在有氧條件下利用檸檬酸的能力，但是它們在大約1300萬年前失去了這項技能。事實上，在有氧條件下不能在檸檬酸中生長，是區分大腸杆菌和其他細菌的一項重要特征。

    在倫斯基的實驗室裡，有12瓶各自獨立進化出上述技能的大腸杆菌，已經培養了超過56000代。科學家在大腸杆菌的培養基裡加入了低濃度的葡萄糖——這是它們喜歡的食物，來維持它們的基本生存；並且加入了大量檸檬酸來控制大腸杆菌的生長。然而，在培養到33000代左右時，有一瓶標記為Ara-3的大腸杆菌獲得了利用檸檬酸的能力，因此突然生長到了很高的濃度。

    Ara-3大腸杆菌獲得消化檸檬酸的能力需要經歷至少3個階段，都是在超過13000代的繁衍過程中逐步完成的。這一過程在實驗室中持續了5~6年，相當於人類進化史中25萬年的時間。

    在階段，或稱潛伏期，至少發生了2個突變，為消化檸檬酸做好準備。第二個階段，又稱實現期，一個運送檸檬酸進入細胞的基因在原始位點附近發生復制，並且這個原本處於休眠狀態的基因突然活化，開始制造檸檬酸轉運蛋白。第三階段，又稱優化期，這一階段需要經歷1500~2000代（在實驗室需耗時約1年，相當於人類進化的30
000~40 000年時間），大腸杆菌纔能完全利用檸檬酸這種新的食物來源。