后代有时负荷突变为什么会相当大得不到的

遗传负荷

DNA分子为什么能够不时地精确复制自身呢？复制是一个随机过程。当核苷酸结构单元依附在一条DNA链上排列起来时，针对已有的这条链上的每一个特定的核苷酸，只有与之适配的一种特定的核苷酸才能合适地排列在那个位置。换句话说，只有那种核苷酸才能粘在那里。属于另外3种核苷酸的任何一个核苷酸，都粘不上去。

可是，由于分子的运动是无规则的，一个并不适配的核苷酸也有可能与已有的那条DNA链上的某个核苷酸发生碰撞，而且在它来不及反弹回去时，两头就被其他的各得其所的核苷酸锁住，而强制留在那个本来并不合适的位置上。这样一来，这里就有了一条并不完全符合要求的新的DNA链。虽然它上面只错了一个核苷酸，然而结果产生的却是一个搞错了一个氨基酸的酶分子。尽管如此，这条有缺陷的DNA链同样也是下一步复制的样板，按这个新样板复制出来的后代，当然会不同于原来的祖辈。

在自然环境里，在某一次复制某一条特定的DNA链过程中发生差错的机会只有五万分之一到十万分之一。然而，由于在活的有机体身上基因的数目非常多，复制的次数更多，因而发生突变的机会并不少，常常可以见到。

例如，在人类中间，每5个受精卵细胞中就有2个至少含有1个突变基因。这意味着，在我们这些人中，有大约40%的人其实就是突变体，同他们的双亲会有一些不同。由于突变基因在消失之前的一段时间里有一代传一代的趋势，有人估计，平均每一个人都携带有8个突变基因。突变基因几乎在任何情形下都是有害的。（这些有害的突变基因之所以未能危害我们，是因为基因总是成对出现，如果其中有一个基因异常，另一个基因还能保证我们正常生活。）

突变也并不是单靠机遇才能发生。有好些因素都能够增加出现复制缺陷的机会。例如，有不少化学药品都能够干扰DNA的正常工作，妨碍它只处理合适的核苷酸能力的发挥。因此，发生突变的机会其实比刚才所说的还要大得多。DNA分子的结构非常复杂，而且又十分脆弱，许多化学药品都能够对它形成干扰。这样的化学药品叫做“致变剂”。

除了化学药品，亚原子粒子也能诱发突变。DNA分子深藏在染色体中，而染色体又隐藏在细胞中心的细胞核里，化学药品侵袭到那里毕竟不太容易。然而，亚原子粒子可以钻到细胞里面去，它们如果击中了DNA分子，就能够从这些分子的结构中敲下一些原子来，从而以物理方式去改变分子的结构。

DNA分子在遭到这样的破坏以后，有可能完全失去自我复制的能力，于是相应的细胞便被杀死。一个生物个体内如果有大量关键性细胞被杀死，该生物体就会患上“辐射病”。

有时候，后果没有这样严重，细胞并没有被杀死，只是产生了突变。（这种突变也许会导致癌症，所以，引起突变的高能辐射既称为致变剂，又称为“致癌剂”。其实，两者本质上是一个意思。）如果这时卵细胞或者精子细胞受到了损害，那么自然会产生出带有突变的后代。有时，突变会相当大，得到的就会是具有严重先天性缺陷的后代。（化学药品也会产生这样的后果。）

辐射的致变效应是1926年首先由美国的生物学家马勒（Hermann Joseph Muller，1890—1967）用实验证实的。马勒当时研究的是果蝇的突变。他用X射线照射这种昆虫，明显地增加了突变的数目。

在进入20世纪以前，人们还不知道有X射线和放射性辐射，但是，这并不是说在那以前就没有辐射导致突变的现象。地球上一出现生命，它们就始终处在太阳光的照射之下。太阳光也是一种弱致变剂，因为太阳光中含有紫外线。（由于这个缘故，过分被日光照射容易患上皮肤癌。）

此外，自生命存在以来，它们还一直受到宇宙线的照射。诚然，有一种看法认为（虽然也有一些人不同意），宇宙线虽然能诱发突变，然而在过去的几十亿年中，宇宙线恰好是推动生物进化的主要力量。我们每一个人身上平均有8个突变基因，它们虽然差不多全是有害基因，然而，我们在未来有可能需要用到的那几个有益的基因也许就混杂在其中，因此可以说，它们是我们为了光明的未来所付出的代价。

当然，少量的东西有益，并不就意味着多多益善。大多数有害的突变，不论它们是怎样产生的，都会使有关物种逐渐衰落，因为有害突变的结果是使群体中出现大量不够标准的孱弱个体。这些有害突变成了该物种的“遗传负荷”（这是马勒首先使用的一个术语）。不过，在该物种的群体中仍然会有相当大比例的个体没有发生过严重的有害突变，甚至还会有少数个体具有有益的突变。这些强壮的个体会一个劲地排挤不够标准的个体，不让后者有生存下来和繁殖的机会。因此，就整个物种而言，它尽管有遗传负荷，却能够保存下来，并不断繁衍。

但是，如果由于某种原因突变率变大，因而遗传负荷加重，结果又会怎样呢？在这种情况下，不够标准的个体比较多，而正常的或者超过标准的个体比较少。很有可能，正常的和超标准的个体由于不够多，竞争不赢那些不够标准的个体，因而无法维持物种。总之，遗传负荷变大不但不会想当然地加速物种的进化，反而会削弱物种，最后导致该物种灭绝。由此可见，小的遗传负荷是有好处的，但大的遗传负荷则是致命的。

那么，有哪些因素会使突变率变大呢？有些因素是随机因素，它们今天仍然在随机地起作用。然而在过去历史上的确有许多致变因素，如太阳光、化学药品和天然放射性，却一直在不同程度上施加它们的影响。那么，宇宙线会起什么作用呢？如果由于某种原因，射到地球的宇宙线突然变强起来，结果会怎样？在那种情况下，会不会因为遗传负荷变得过重让地球上的生命承受不了，而使许多物种衰落，甚至导致大死亡？

即使我们承认这样一种观点，即地球历史上实际发生过的那几次大死亡全都是由于内陆海洋的干旱引起的，难道宇宙线强度的突然增加不可以也引起大死亡吗？既然有这种可能，那么又是什么原因可能造成宇宙线强度的突然增强呢？

有一种可能的原因是超新星爆发事件的突然增多。我们知道，超新星是宇宙线的主要来源。我们的银河系有数千亿颗恒星，它们当中超新星的总数目每一年和每一个世纪大致都是一样的。然而，超新星的分布却时时都在变化。很有可能，在某一段时间，超新星的数目在银河系的另一端会不成比例地偏多；而在另一段时间，它们的数目又不成比例地在银河系我们所在的这一端偏多。

不过，超新星分布上的这种变化对射到地球上来的宇宙线强度的影响要比我们料想的小得多。由于宇宙线粒子沿曲线运动，在银河系众多的大范围磁场的作用下，它们倾向于弥散开来，譬如说，它们会不管起源何处，最终都均匀地散布在整个银河系内，到处的强度结果都相差不多。

在银河系内，超新星会不停地产生出大量新的宇宙线粒子，与此同时，各种巨星也会产生一定的数量。这些新产生的宇宙线粒子在银河系内会不断地被加速，能量越来越高。这些宇宙线粒子有的会加速得相当厉害，最后干脆飞出了银河系；同时也会有大量粒子击中我们银河系中的恒星和其他天体。大约在我们银河系存在150亿年以后，这里便建立起了一种平衡，有多少宇宙线粒子消失掉，就会有多少宇宙线粒子产生出来。正是由于这个缘故，我们敢断定，地球周围附近的宇宙线的强度在今后多半也会差不多始终保持不变。

当然，上面所说的情况也会有例外。如果地球近处凑巧爆发了一颗超新星，那肯定会造成麻烦。实际上，我们在前面已经讨论过这种近处爆发超新星的可能性，而且已经指出，在可以预见到的将来，出现一颗足以引起我们担忧的很近的超新星的可能性极小。不过，我们前面在讨论中只涉及了来自这种超新星的光和热，并没有提到这种突变天体发生的宇宙线。要知道，由于近处爆发的一颗超新星与我们相隔的距离毕竟太短，它发出的宇宙线粒子很可能来不及被它与我们之间的磁场散开。

1968年，有两位美国科学家特里（K.D.Terry）和塔克（W.H.Tucker）指出，一颗足够大的超新星所发出的宇宙线可以比太阳发生的宇宙线强1万亿倍，持续时间至少达1星期之久。如果有这样一颗超新星出现在离我们16光年远的地方，从那样远的地方到达我们这里的宇宙线的能量，也会在1星期的时间里等于太阳的总辐射能，从而使我们每一个人（以及其他大多数生命形式）都患上辐射病而死去。如果出现那种情况，那样一颗超新星向地球额外提供的热量和相应的热浪倒没有多大关系。

当然，在离我们很近的地方还没有哪一颗恒星有可能发生爆发而成为一颗巨大的超新星。就我们所知，不仅过去没有出现过这种十分糟糕的事件，即使在可以预见到的将来也不可能发生。然而，即使在相当远的地方出现一颗超新星，后果也会是相当严重的。

目前，到达我们地球大气层顶部的宇宙线的强度大约是每年0.0003戈。如果增加到500倍，即增加到每年0.15戈，就会对我们造成伤害。然而，特里和塔克根据超新星出现的频度和它们的大小与出现位置的随机特性估算出，平均而言，地球每隔1000万年左右就有可能由于超新星的爆发而接受到一次高达2戈的大剂量的宇宙线的照射；而且，间隔时间越长，有可能接受到的大剂量照射就越强。自有化石以来的这6亿年间，我们地球至少受到过一次剂量高达250戈的宇宙线的超强度照射。要是当时不存在可以减弱宇宙线轰击后果的某些自然机制在起作用的话，那样强的超剂量照射肯定会造成很大的恶果。

例如，我刚才讲的宇宙线的强度指的都是在地球大气层顶部测得的数值。我这样讲是有意识的，因为大气对于宇宙线并不是完全透明的。宇宙线的粒子在高速穿过由原子和分子组成的大气时，不论是早是迟，肯定会同大气中的原子和分子发生碰撞。被碰撞的原子和分子被击碎，从中再飞出新的粒子，这就是“次级辐射”。

次级辐射所携带的能量要小于来自外层空间的“初级辐射”——宇宙线粒子——的能量，然而它们的能量仍然高到足以造成严重伤害。幸而，这些次级辐射粒子会继续击中地球大气中的原子和分子。当有粒子飞达地面时，地球大气早已把原来宇宙线所携带的大部分能量吸收掉了。

一句话，地球大气层起到了防护毯的作用，它的防护作用既不是完全有效，也不是完全无效。在环绕地球的轨道上或者在月球上的宇航员，他们遭到宇宙线的轰击会比我们在地面上受到的轰击强烈得多，对于这一点决不可掉以轻心。

宇航员在飞出大气层的短暂旅行中有可能遭受到额外的辐射，然而长期定居在空间的人却不会有这种危险。空间定居点必然会设计有厚厚的外壁，这种外壁抵御宇宙线的能力至少要不亚于地球的大气层。

的确，人类的主体也许将来有一天会到空间定居点去避难，他们将不再关心太阳的变异，不再担心太阳有朝一日会先变成一颗红巨星，然后再变成白矮星；到那时，他们主要关心的事情恐怕就只会是宇宙线辐射通量的消长，因为那将是他们主要的潜在危险。

当然，如果回过头来仍然考虑地球，我们没有理由担心大气层的保护作用将来会消失，让我们由于宇宙线的增强而受到致命的伤害。只要地球大气仍然保持它今天的结构和组成，这种担心就是多余的。此外，地球还向我们提供了另一种更有效的保护机制，虽然持久性要稍差一些。为了说明这种机制，我们不得不谈点历史。