DNA:神奇的信息还是混乱的字母?

作者:约拿单•萨法提     翻译:中国创造论团契

原文见http://creation.com/dna-marvellous-messages-or-mostly-mess#r20

2003年是发现DNA双螺旋结构的50周年纪念。发现者詹姆斯•沃森(James Watson)、弗朗西斯•克里克(Francis Crick)和莫里斯•威尔金斯(Maurice Wilkins)都因此获得了1962年诺贝尔生理学和医学奖。

生命体有着令人惊叹的设计和复杂性,这为创造主的存在提供了强有力的证据。圣经告诉我们,上帝在祂6天创造工作完成后就休息了(创世记2章2-3节),但现在祂还在托住祂所创造的一切(歌罗西书1章16-17节,希伯来书1章3节)。我们来看看,今天复杂的生物体是如何形成的。

上帝的信息技术

上帝托住万物的一层含义就是,祂已经将所有生物结构的“蓝图”编入广为人知的双螺旋DNA分子结构中。1 这个被代代传承的生命蓝图包含着数量庞大的信息。因此,生物界能够“各从其类”地繁殖。(《创世记》第一章中“各从其类”一词反复说了10次)。无神论兼进化论的领袖理查德•道金斯(Richard Dawkins)承认: “在人类一个细胞的DNA中所存储的信息量相当于30卷《大英百科全书》的三到四倍。”2

正如《大英百科全书》需要编者以他们的聪明智慧写下《全书》中的信息,我们相信生物细胞中DNA携带的信息同样有一个编写者或传递者,这是合理的,甚至是科学的。3 因为人们从来没有观察到一个非智能的源头能生成任何一小部分生命所需要的百科全书式的信息。4

遗传密码(请参见下面的“生命的程序”)不是一个纯粹的化学反应结果,而是由核糖体中精致的解码机制产生。而且值得注意的是,这个解码机制的本身也是DNA所编码的。著名的科学哲学家卡尔•波普尔爵士(Sir Karl Popper)指出:

“这样,遗传密码的翻译过程,需要用到某些翻译产物,此外没有别的办法。这就形成了一个令人困惑的循环,对于试图解释遗传密码起源的模型或理论来说,这似乎真是一个恶性循环。5,6

因此,这样的一个系统必须在全部形成以后才能开始工作,这个特性被称为“不能简化的复杂性”。这意味着它不可能经过细微变化和自然选择而产生。DNA是宇宙中的最高密度的信息存储系统。即使是现今所知最简单的生物也拥有482个蛋白质编码基因,有58万个“字母”的组成,7 而人类每个细胞核中都有含有三十亿个“字母”。(见“生命的程序”中对DNA“字母”的解释。)

如果把存储在一个针头大小的DNA分子内的信息写在平装书上,书的总厚度是地球到月球的距离的500倍,而且每本书都有独特的内容。8  换一种说法,我们认为40 GB的电脑硬盘是现在比较先进的技术,而一个针头大小的DNA分子内的信息量等于1亿个这样的硬盘。

DNA的“字母”的结构,赋予它另一个重要的特性,使遗传信息得以传递:由于碱基的化学结构,A只与T配对,G只与C配对,一个碱基对就像一个旋转楼梯上的一个梯级。这意味着DNA双螺旋的两条链是可以分离的,每一条链可以再配上新链,如此信息就得到了精确的复制。配上的新链与旧链有相同的信息,但不是一个影印件,从某种意义上来看更像一个照片的底片。这种DNA复制的精确度大大超过单纯的化学反应所能达到的水平,其误差率大约为100亿分之一,这是因为在DNA复制后还有编辑(校对和改错)的机制,而这种机制也是靠DNA编码的。在DNA编辑机制存在之前,编码这一机制的信息是如何精确地传递的呢?如果有人争辩DNA复制的准确性可以通过选择逐步实现,我要提醒读者:DNA复制的高度准确性是必须的,否则就会导致“误差灾难”——“噪音”会以垃圾蛋白的形式积累。这又是一个“恶性循环”(不可简化的复杂性)。

现在看来,DNA中A﹑T﹑G、C“字母”的选择似乎也是为了尽可能地避免复制的错误。进化论者通常假设这些“字母”偶然存在于所谓的原始汤中,但研究表明,C(胞嘧啶)是极不可能出现在任何像这样的“原始汤”中的。9 相反,都柏林三一学院的当纳•麦当内尔(Dónall Mac Dónaill)认为这些“字母”的选择就像先进的误差控制系统,与图书的ISBN码、信用卡号码、银行帐户和机票的号码设计类似。用任何其它字母替换,都会招致误差灾难。10

内含子

细胞并不直接阅读DNA,而是首先把它抄写成一个与DNA非常相似的分子,称为RNA,11  这一过程叫做转录。除了细菌之外,大多数物种还要对转录成的RNA进行进一步加工。RNA是DNA的影像,其中包含编码蛋白质的区域,称为外显子,不编码蛋白质的区域称为内含子。内含子需要被切除,外显子要拼接在一起形成mRNA(信使RNA),然后才能被解码形成蛋白质。这个剪接过程也需要精心设计的分子机器,称为“剪接体”。剪接体在内含子上组装,它将内含子精确地切除,并将外显子拼接在一起(参见剪接体工作机制动画)。剪接体的剪切方向和位置必须正确,因为外显子的衔接哪怕有一个字母差错,都会使翻译出来的蛋白质天差地别。因此,进化不完善的剪切机器是有害的,应该被自然选择所淘汰。理查德•罗伯茨(Richard Roberts)和菲利普·沙普(Phillip Sharp)于1977年发现内含子并因此获得了1993年诺贝尔生理学和医学奖。事实证明,DNA基因组中97 – 98%可能是内含子和其它非编码序列,但这就产生了一个问题:为什么会有内含子存在?

dna_diagram

垃圾DNA?

道金斯和一些人曾声称这种非编码的DNA是“垃圾”或“自私”DNA。可想而知,有智慧的设计师是不会设计这样一个低效系统的,因此他们辩称这一定是进化而来的。与这个说法相似的是,在19世纪他们称人体中有大约一百个退化器官,12是我们的进化历史上遗留下来的无用的器官残余。13 但更开明的进化论者,如斯卡丁(Scadding),指出这种论述在逻辑上是不合理的,因为从原则上要证明一个器官没有用是不可能的;相反,它可能有功能,只是我们不知道而已。斯卡丁也提醒我们:“随着我们知识的增加,退化结构的清单减少了。” 141516道金斯经常声称信仰造物主是一种“逃避”,而事实上,退化或垃圾的说法才是真正的“逃避”。这种“逃避”阻碍了对退化器官重要功能的研究,他们对非编码DNA也故技重施。

实际上,即使进化是真的,认为内含子无用的观点也是荒谬的。为什么复杂的生物体进化出如此精密的剪接机器来剪掉它们?相反,自然选择应该钟爱那些不用浪费资源去处理基因组中98%的垃圾的生物。现在人们已经为所谓的“垃圾DNA”发现了很多的用途,包括基因组的整体架构和基因的调控。一些创造论者认为,诺亚方舟上的各个物种在洪水后之所以能够迅速地多样化,与这种DNA有关。17

有一种的非编码RNA,称为小分子RNA(miRNA),其作用似乎是调控蛋白质的合成过程,这些RNA分子在人类、小鼠和斑马鱼中几乎完全相同。近年科研人员对小鼠的基因组进行测序,18  结果令人惊讶 ,报纸上出现了《“垃圾DNA”包含必要的信息》之类的标题。19 他们发现5%的基因组在哺乳动物之间基本上是相同的,但只有2%是实际的基因。所以他们推断,另外3%的DNA相同是肯定有原因的。研究者认为,那3%的基因可能在决定基因的行为上有至关重要的作用,比如基因表达的顺序。20

同样,内含子的破坏也可能是灾难性的。例如:在一个内含子的中间删除了四个“字母”后,剪接体无法与内含子结合,导致内含子未被切除而被包含在(被翻译的)基因中。21 在内含子中的突变也会干扰“印记(imprinting)”的过程,也就是某些基因只有从父亲来的版本得到表达,另一些基因只有从母亲来的版本得到表达,而不是父母的基因版本同时表达。若父母的版本同时表达的话,将会导致各种各样的疾病和癌症。22

另一个有趣的发现是,DNA可以传导电信号,传导的距离大约为60个DNA字母,60个DNA字母足以编码20个氨基酸,这是相邻基因之间的分子开关的典型长度。从理论上讲,电信号可以无限地传导下去。然而,单个或多个A T碱基对能够终止电信号,也就是说,它们充当绝缘体或“电路的电子铰链”。所以,尽管这些DNA区域不编码蛋白质,但是当自由基攻击远处的DNA时,它们可以保护重要基因,免于受到电流破坏。23

所以时代不同了,德国明斯特(Münster)大学的亚历山大·胡腾霍夫(Alexander Hüttenhofer)说:“五六年前,人们说我们是浪费时间。而到了今天,再没有人认为对非编码RNA的研究是浪费时间了”。24

高级操作系统?

澳大利亚布里斯班昆士兰大学的约翰·马蒂克博士(Dr John Mattick)发表了许多论文,指出非编码DNA区域,更精确地说是它们的转录产物(非编码RNA),其实是一个复杂的基因网络的重要组成部分。25,26 DNA、mRNA和蛋白质之间会发生相互作用。马蒂克提出内含子的角色是充当节点,也就是基因网络中的链接点。内含子提供了许多额外的连接点,使得DNA系统能够执行计算机领域中称之为多任务及并行处理的工作。

在生物体内,该网络能够控制基因开启和关闭的顺序。这意味着,只要把网络稍加改造,就可以让多细胞生物变化万千。与此相反,“早期的计算机就像简单的生物,设计得很巧妙,但那是为一次执行一个任务而设计的。” 27 旧式的电脑非常不灵活,要改变任何东西都需要重新设计整个网络。类似地,单细胞生物,例如细菌,也不怕不灵活,因为它们不必像多细胞生物那样发育。

进化论的解释

尽管这个系统有不可简化的复杂性,马蒂克认为这个新系统是以某种方式进化而来的,而且该系统让简单的生物进化成了众多复杂的生物。然而,面对同样的证据,从圣经的观点出发,则能提出更合理的解释。这个系统确实可以使多细胞生物从“简单”细胞发育而来,但这里所说的“简单”细胞特指的是受精卵。这样解释更合情理,在受精卵的里面已经预备好所有的程序,这些程序包含了从胚胎发育成复杂生物体的所有信息。

这也是一个完美设计的例子,指向同一位设计师,而非多位。相反,当第一个简单的细胞通过所谓的进化,获得复杂的剪切机器的时候,自身没有需要剪接的内含子。但马蒂克对生物多样性的说法可能有正确的部分。创造论者也相信洪水后各种生物不断趋向多样化,尽管这种多样化并不涉及新的信息。一些创造论者提出,DNA中某些非编码的部分可能促进生物更快地多样化,28 而马蒂克的理论则提供了另一种可能的机制。

科学的障碍

马蒂克的理论受到了严厉的批驳,法国马赛的国家研究院的珍•米歇尔•克拉弗里(Jean-Michel Claverie)指出:

“我对他的工作不以为然。一般来说,这些整体观念之所以行不通,是因为忽略了最基本的生物学原理:生物结构是通过进化出一个一个微小的子系统,并且将这些子系统逐渐叠加而成的,而不是整体上的设计。若说在一个特定基因中的某个内含子随机进化出了某种调控性能,这是完全有可能的。但若说所有的基因都获得了内含子,为的是将来能用于调节基因表达,这是绝对不可能的。”

这里有两点需要注意:

  • 这意味着:若内含子系统真的是一种先进的控制系统,它的复杂性真的是不能简化,因为进化过程不能逐步地建立这个系统。
  • 它说明了进化论背后的唯物主义假设的地位。通常,无神论者,如道金斯,用进化论作为支持他们信仰的“证据”,事实上,进化论却是从唯物主义的假设中推导出来的!如理查德•里翁亭(Richard Lewontin)写道:“…我们有一个先验承诺,就是恪守唯物主义。……而且,唯物主义是绝对性的,我们不能让任何神圣的脚踏进大门。”29斯科特•托德(Scott Todd)说:即使所有的数据都指向有一个智慧的设计师,这样的假设也必须被排除在科学之外,因为这不符合自然主义。”30

一方面许多人将“垃圾”DNA作为进化论的“证据”,而在这里,克拉弗里却用进化论的假设来“证明”非编码DNA是垃圾!这和退化器官的情况类似。事实上,进化论被当成了退化的依据,从而妨碍了对这些器官的功能的研究。类似地,克拉弗里的态度也会妨碍对非编码DNA网络调节功能的研究。

小结

  • “垃圾DNA”(或者更确切地说,不直接编码蛋白质的DNA)并不是进化的证据。相反,其所谓的“无用”是根据进化的错误假设推理出来的。
  • 这些DNA的功能未被发现,并不意味着它们不具备功能。
  • 现在这种非编码DNA的很多功能已经被发现。
  • 有充分的证据表明,非编码DNA在复杂的基因网络中扮演核心角色。它们可能在单细胞受精卵发育为多细胞生物的过程中起到至关重要的作用,在挪亚洪水后动物的多样化过程中也功不可没(例如一种犬科动物演变为澳洲野狗、狼、土狼等)。

(参考文献之后附有短文《生命的程序》,进一步介绍生物信息的概念)

参考文献与注释

  1. DNA即脱氧核糖核酸。参见 Wieland, C.,The marvellous ‘message molecule’Creation 17(4):10–13, 1995.
  2. Dawkins, R.,The Blind Watchmaker, W.W. Norton, New York, p. 115, 1986.
  3. Grigg, R.,Information: A modern scientific design argumentCreation 22(2):52–53, 2000.
  4. Gitt, W.,In the beginning was Information, CLV, Bielenfeld, Germany, 1997.
  5. Popper, K.R., Scientific Reduction and the Essential Incompleteness of All Science; in Ayala, F. and Dobzhansky, T., Eds.,Studies in the Philosophy of Biology, University of California Press, Berkeley, p. 270, 1974.
  6. Sarfati, J.,Self-replicating enzymes? Journal of Creation 11(1):4–6, 1997.
  7. Fraser, C.M. et al., The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium,Science 270(5235):397–403, 1995; perspective by Goffeau, A., Life with 482 Genes, same issue, pp. 445–446.
  8. Gitt, W.,Dazzling design in miniatureCreation 20(1):6, 1997.
  9. Sarfati, J.,Origin of life: instability of building blocksJournal of Creation 13(2):124–127, 1999.
  10. Bradley, D., The genome chose its alphabet withcare, Science297(5588):1789–91, 13 September 2002. 麦当内尔的理论提及了奇偶校验位,一个二进制字符串后增加一个额外的1或0,让其成为偶数字符。例如,当传输数字11100110时,后边添加一个额外的1(即11100110,1),或者在11100001后添加一个零(成为11100001,0)。如果在传输数字时出现了一个错误,变1为0,或者变0为1,字符串加起来将是奇数,所以接收方就知道,数字没有被准确地传输。麦当内尔发现他可以将DNA“字母”的某些结构特点看作四位二进制的数字,其中第四位是校验位。他发现,这些DNA字母全部是偶数,而混合奇偶特性的核苷酸“字母表”将带来灾难性的误差率。
  11. RNA 即核糖核酸.
  12. 在《人体结构:他既往历史的索引》一书中,Wiedersheim声称在人体内有超过180个“退化的”结构,包括86个的“退化”器官,见The Structure of Man: an Index to his Past History; transl. Bernard, by H. & M., Macmillan, London, 1895.
  13. 《简化牛津英语词典》(1993)中给“退化”的定义是“衰变或萎缩,在进化过程中成为没有用处的。”现在一些进化论者重新把“退化”简单地定义为,“减少或改变了功能”。因此,即使是有价值、有功能的器官(符合设计)现在也可能被称为“退化”。这似乎是在辩论失败的时候,临时改变了辩论的规则。
  14. Scadding, S.R., Do ‘vestigial organs’ provide evidence for evolution?,Evolutionary Theory 5(3):173–176, 1981.
  15. 参见 Bergman, J. and Howe, G., ‘Vestigial organs’ are fully functional, Creation Research Society Books, Kansas City, 1990.
  16. 最近的一个例子,是马腿上某些很短的肌肉,目前已知它们有一个至关重要的作用,就是能减轻有害振动。见Sarfati, J., Useless horse body parts? No way! Creation 24(3):24–25, 2002; 基于 Nature 414(6866):895–899, 855–857, 20/27 December 2001.
  1. 参见综述Walkup, L.,Junk DNA: evolutionary discards or God’s tools? Journal of Creation 14(2):18–30, 2000.
  2. Nature420(6915):509–590, 5 December 2002.
  3. Gillis, J., ‘Junk DNA’ contains essential information—DNA has instructions needed for growth, survival,Washington Post, 4 December 2002.
  4. 进化论者称这些几乎相同的DNA序列为“高度保守”,因为他们解释这种“高度保守”是源自于共同的祖先,自然选择会淘汰任何在这5%“高度保守”的DNA序列上有偏差的生物,因为这些DNA的精确度对于生物体能够正常工作极为重要。但创论者把同一个事实解读为有一位设计师精确地创造了这些序列,这是功能的需要。所谓进化论推动的科学进步,在圣经框架下至少同样容易解释,这又是一个例证。
  5. Cohen, P., New genetic spanner in the works,New Scientist 173(2334):17, 16 March 2002.
  6. Batten, D.,‘Junk’ DNA (again)Journal of Creation 12(1):5, 1998.
  7. Coglan, A., Electric DNA: There’s another information superhighway lurking in our genes,New Scientist 161(2173):19, 13 February 1999; citing Jacqueline Barton of the California Institute of Technology, Chemistry & Biology 6(2):85.
  8. Dennis, C., The brave new world of RNA,Nature 418(6894):122–124, 11 July 2002; cited on p. 124.
  9. Mattick, J.S.Non-coding RNAs: The architects of eukaryotic complexityEMBO Reports 2:986–991, November 2001.
  10. Cooper, M., Life 2.0,New Scientist 174(2346):30–33, 8 June 2002; Dennis, ref. 24.
  11. 参注释26, p. 32.
  12. g. Wood, T.C., Altruistic Genetic Elements (AGEs), cited in Walkup, ref. 17.
  13. Lewontin, R., Billions and billions of demons,The New York Review, 9 January 1997, p. 31; Evolutionist’s blind faith in atheism, regardless of how absurd it seems.
  14. Todd, S.C., correspondence toNature 401(6752):423, 30 Sept. 1999; A designer is unscientific—even if all the evidence supports one!

生命的程序

信息是存储介质中的单元被排列的复杂程度,它并不取决于被排列的介质。例如,一张纸上有很多的字,其信息是使用由墨水分子排列成的26个英文字母作为存储媒介。但字母本身并不包含信息。即使信息被翻译成其他语言,使用了一套不同的字母,也不会改变信息的内容,而仅仅是换了一种表达方式而已。然而,在电脑硬盘上存储信息的方法却是完全不同——它上面的信息是存储在磁盘上的一系列磁性“开关”模式。同样,信息不是在磁性的物质上,而是磁性物质的排列方式。完全不同的信息媒介可以携带完全相同的信息。例如,你正在阅读的这篇文章,虽然显示界面和在我的电脑硬盘上携带信息的是两个不同的媒介,但信息是完全相同的。在DNA中,信息存储在四种碱基(A、C、G和T)的序列里。从某种意义上说,这些可以称为化学“字母”,因为它们存储信息的方式与打印的字母类似。1  进化论者在解释 “原始汤”里何以产生这些“字母”的问题上遇到了极大的困难。2 但即使这个问题解决了,也还是毫无意义,就像给你一碗字母汤一样。

在自发的化学作用下,这些“字母”是倾向于分解的,因此要让它们自发地连结在一起又是另外一个难题!3 最重要的是,这些“字母”必须被正确地排列才能有生物学意义。三个DNA“字母”组成一个密码子,编码一个蛋白质 “字母”(称为氨基酸),这个信息转换过程被称为翻译。蛋白质分子上即便是一个错误也可能是灾难性的,所以正确的解码(翻译)是非常重要的。如同阅读书面语言时一样,只有在读者熟悉所读的语言时,他/她才能明白里面的信息。例如,读者必须知道字母序列c-a-t的意思是一个毛茸茸的、并有可伸缩的爪子的动物。而序列g-i-f-t在英语的意思是礼物,但在德文中,序列g-i-f-t意味着毒药。可以理解,在911恐怖袭击后,大众有炭疽恐慌,一些德国邮政工人非常不愿意处理标记着gift的包裹。

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参考文献与注释

  1. DNA内有4种碱基,分别是腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶。它们是构建核苷酸的组成部分,核苷酸由脱氧核糖、磷酸和碱基构成。在RNA中,尿嘧啶(U)替代了胸腺嘧啶,核糖替代了脱氧核糖。
  2. Sarfati, J.,Origin of life: instability of building blocksJournal of Creation 13(2):124–127, 1999.
  3. Sarfati, J.,Origin of life: the polymerization problemJournal of Creation 12(3):281–284, 1998.
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