本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
研究生物体内代谢的化学家通常将其分为两种：初级代谢和次级代谢。初级代谢关注基本生物分子（如蛋白质、糖类和脂类）的产生和反应。次级代谢指的是小分子的产生，这些小分子虽然不是必需的，但在各种关键功能中仍然很重要。
次级代谢在植物中尤其明显。由于植物不像动物那样可以移动，它们进化出了专门的策略来保护自己和繁殖。最成功的策略之一是利用次级代谢来产生种类繁多的小分子，这些小分子几乎用于每一种可以想象到的功能，从防御捕食者到与细菌建立共生关系，再到吸引授粉媒介。最重要的次级代谢物是生物碱和萜烯，这两种物质几个世纪以来一直被人类用作药物、香料、杀虫剂和食物。生物碱包括士的宁、吗啡和咖啡因，萜烯包括薄荷醇、胆固醇和维生素A。抗生素也是次级代谢物。毋庸置疑，这些分子对人类商业和文化的影响是巨大的。
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次级代谢重要的另一个原因是它揭示了人类的关键生理过程。例如，人类产生胆固醇的生物合成途径和酶与真菌产生麦角甾醇的途径非常相似。参与这些途径的酶通常会进行壮观而优雅的舞蹈，其中多个化学键以精巧的时机和选择性形成。跨不同物种比较这些酶的氨基酸序列可以提供有关其进化关系的有价值信息。这种关系再次肯定了进化在为各种问题寻求共同的解决方案。
在研究次级代谢的进化历史时，出现的问题之一是其酶是如何从协调初级代谢的酶中分离进化出来的。在最近发表在《科学》(1) 杂志上的一篇展望文章中，索尔克研究所的一个小组假设基因复制可能在这些蛋白质的进化中发挥了主要作用。这里的理由来自酶催化的反应类型。酶通常对给定的底物非常特异；事实上，有机化学家会不惜一切代价在他们的实验室合成中实现这种特异性。但事实证明，次级代谢的酶不如其初级代谢的酶那么特异；它们可以与许多不同种类的分子结合，并将它们转化为不同的产物。用令人惊讶地成为科学文献标准部分的术语来说，这些酶是滥交的。
这种广泛的特异性是如何产生的？通常，当进化“固定”蛋白质基因中的功能时，很难在不引入有害甚至灾难性影响的情况下篡改该功能。使这种冒险实验成为可能的遗传工具构成了进化最伟大的发明之一——基因复制。基因复制已被证明是增加基因组信息含量和实现功能多样性的有效策略。原理非常简单。在某个时候，一个基因作为随机事件经历复制。此事件释放了其中一个副本以进行突变，而不会危及原始功能，因为另一个副本未被触及并继续进行其业务。通过连续的进化和自然选择，第二个副本通常最终突变为执行新颖且迄今为止未探索过的功能。现在每一种可能性都存在，即这些变化可能是deleterious的，并会使基因灭绝。但重要的那些是坚持下来的那些。由于进化包含的突变数量庞大，因此总会有一些突变会改善功能；一旦这种情况发生，自然选择就会接管并保留这些变化。
基因复制的最佳例子之一是血液凝固酶的进化。有十几种这样的酶，跨物种比较它们的序列和基因表明，它们一定是从具有适度血液凝固能力的共同祖先开始的。连续的复制事件使该基因增殖成一个完整的凝血酶家族，每个家族都有自己的底物特异性。来自同一折叠的另一个例子是珠蛋白基因家族的进化，其中血红蛋白在血液中携带氧气，肌红蛋白在肌肉中结合氧气。为一个关键系统（如血液凝固或运输）构建整个蛋白质家族证明了基因复制的力量。
在次级代谢的情况下，作者假设酶一定经历了复制，然后多样化。一个典型的场景是，酶催化底物X反应的基因A 经历复制。新基因现在可以自由地进行调整并经历突变。其中许多是deleterious的或中性的，但在某个时候，单个突变或它们的组合会产生一个新的基因B，其蛋白质产物现在可以与底物X和Y结合；蛋白质变得滥交。如果Y在生物体的代谢中具有有价值的作用，并且因此对导致基因B的特定突变施加正向压力，则尤其如此。如果你研究负责次级代谢的酶，你会发现它们中的许多实际上是滥交的，无论是在同一个生物中还是在不同的生物中。一个特别吸引人的例子是一种叫做二氢黄酮醇还原酶（DFR）的蛋白质，根据它所作用的生物，它可以从两种不同的底物中产生红色或蓝色色素。适用于多个底物的情况也适用于酶促反应的多个最终产物；在一个引人注目的案例中，一种叫做TEAS的酶作用于单一底物，产生一个主要产物和不少于23个次要产物。滥交酶的确切功能将取决于物种、环境因素和进一步的遗传事件，但基因复制似乎是最合理的通用机制。
然而，正如人类从痛苦的经验中充分了解到的那样，滥交是有代价的。在这种情况下，这些酶为其分子不正当关系付出的代价是活性丧失。正如作者所描述的那样，这些酶与其分子伙伴的结合通常比初级代谢的酶结合得弱 30 倍。这个原理是普遍的；酶通常会牺牲效率来换取特异性。虽然文章没有说，但我怀疑这种行为是否也会影响酶的灵活性，使它们更松散，以便容纳更多不同的底物。这几乎就像对一个底物不忠会影响它们的性能一样。其中可能有一些教训。
尽管类比具有暗示性，但这仍然是一个有趣的假设，并且似乎完全符合我们对进化的了解。进化已经开发出许多简单的机制来探索多样性并增加其宏大的生物化学交响曲中的分子参与者的数量。基因复制一直是zui成功的策略之一。下次您品尝一杯咖啡、观察伤口愈合或欣赏蓝色或红色的花朵时，请想想次级代谢，并感谢那些滥交的酶及其重复的基因。
参考文献
1. 植物化学多样性的兴起，《科学》，2012：1667-1670
2. Jiang and Doolittle，《美国国家科学院院刊》，2003, 100, 7527