Microsoft Word - 一切都在改变

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1 一 切 都 在 改 变 引 言 : 王 瑞 ---- 我 看 进 化 生 物 学 38 亿 年 前, 地 球 出 现 了 最 原 始 的 生 命 形 式 原 核 细 胞 大 约 20 亿 年 前, 真 核 细 胞 出 现 了 在 此 后 的 20 亿 年 的 时 间 里, 单 细 胞 的 真 核 生 物 发 展 成 了 具 有 组 织 ( 器 官 ) 特 异 性, 并 能 执 行 相 应 功 能 的 复 杂 生 物 其 中 人 类 的 出 现, 将 生 命 的 形 式 发 展 到 了 极 致 生 命 的 演 化 历 程 不 仅 为 我 们 展 现 了 一 幕 幕 宏 伟 壮 观 的 史 诗 场 面, 也 为 我 们 留 下 了 巨 大 的 思 考 空 间 我 们 不 禁 想 问 : 是 什 么 力 量 决 定 了 生 命 从 无 到 有, 从 简 单 到 复 杂? 这 种 力 量 到 底 来 自 哪 里, 又 将 去 向 何 方? 遗 憾 的 是, 在 相 当 长 的 时 间 里, 人 们 认 为 这 是 一 种 超 自 然 的 力 量, 是 造 物 主 智 慧 的 体 现, 西 方 宗 教 的 创 世 说 和 我 们 中 国 的 女 娲 造 人 神 说 都 是 这 种 思 想 的 表 现 但 真 理 不 会 永 远 被 黑 暗 所 笼 罩,18 世 纪 中 后 期, 进 化 思 想 的 萌 芽 及 进 化 学 说 的 产 生 犹 如 一 束 光, 将 黑 暗 中 的 自 然 面 貌 还 原 于 真 实, 一 切 遂 见 光 明! 1859 年 达 尔 文 发 表 的 物 种 起 源 中, 记 录 了 两 个 故 事 : 1. 飞 鱼 借 助 鳍 的 扇 动 轻 轻 地 转 动 和 上 升, 在 空 中 作 长 距 离 滑 翔, 可 以 想 象 它 们 照 此 发 展 下 去 而 逐 渐 地 转 变 为 完 美 的 飞 行 动 物 的 情 景 如 果 这 个 想 法 成 立, 谁 又 能 想 象 它 们 曾 居 住 在 大 海 中 那 些 早 期 祖 先 们 所 发 生 的 转 变 状 态, 以 及 它 们 用 怎 样 独 特 的 原 始 飞 行 方 式 逃 逸 其 他 鱼 类 的 吞 食 呢? 2. 赫 恩 曾 看 见 北 美 洲 黑 熊 在 水 里 游 几 个 小 时, 它 张 着 大 嘴, 几 乎 像 一 头 鲸 鱼 那 样, 捕 食 水 中 的 昆 虫 在 我 看 来, 我 们 有 理 由 期 望 这 样 的 个 体 偶 然 地 引 发 新 种 诞 生, 它 具 有 不 同 寻 常 的 习 性, 结 构 上 或 多 或 少 与 它 们 原 有 的 形 式 有 所 变 化 ---- 物 种 起 源 这 就 是 达 尔 文 眼 中 的 进 化 作 用, 它 的 一 个 重 要 思 想 在 于, 进 化 是 靠 微 小 变 异 的 积 累 来 实 现 的 所 以, 尽 管 地 球 上 并 不 存 在 一 种 嗜 好 捕 食 水 生 昆 虫 的 鲸 熊 动 物, 但 理 论 上 它 离 我 们 并 不 遥 远 毕 竟, 进 化 已 经 塑 造 了 能 够 滑 行 空 中 的 鱼, 让 我 们 知 道 海 鸟 跟 鱼 的 距 离 并 没 有 泰 戈 尔 描 绘 的 那 么 远 更 重 要 的 是, 生 命 的 起 源 已 不 再 是 上 帝 恩 赐 的 礼 物 事 实 证 明, 一 切 都 在 改 变! 1. 生 物 进 化 的 定 义 广 义 的 进 化 泛 指 事 物 的 发 展 是 指 事 物 由 低 级 向 高 级, 简 单 向 复 杂 转 变 的 过 程 事 实 上 包 含 了 两 个 方 面 : 一 是 生 物 的 进 化, 二 是 非 生 物 的 演 化 1862 年 英 国 哲 学 家 斯 宾 塞 在 第 一 原

2 理 中 写 道 : 进 化 乃 是 物 质 的 整 合 和 与 之 相 伴 随 的 运 动 的 耗 散, 在 此 过 程 中 物 质 由 不 定 的, 支 碎 的 同 质 状 态 转 变 为 确 定 的, 有 条 理 的 异 质 状 态 1977 年 遗 传 学 家 G.L.stebbins 给 生 物 进 化 下 的 定 义 是 : 生 物 进 化 是 生 物 与 其 生 存 环 境 之 间 的 相 互 作 用 的 变 化 所 导 致 的 部 分 或 整 个 生 物 种 群 遗 传 组 成 的 一 系 列 不 可 逆 的 改 变 但 我 认 为 这 只 是 对 生 物 进 化 进 行 的 宏 观 概 括, 没 有 提 及 进 化 的 结 果 和 进 化 的 方 向 然 而 我 理 解 的 生 物 进 化 不 是 一 两 句 文 字 所 能 浓 缩 的, 而 是 一 部 长 长 的, 未 完 的 历 史 卷 轴 原 因 是 : 生 物 进 化 生 物 的 多 样 性 甚 至 包 括 进 化 本 身 都 处 在 动 态 的 变 化 之 中 ( 都 在 变, 只 是 变 快 慢 不 同 而 已 ), 没 有 固 定 的 进 化 方 向 可 以 预 知, 有 很 多 细 节 我 们 还 不 了 解, 况 且 生 物 的 变 异 往 往 是 在 无 声 无 息 中 发 生 的, 积 累 到 一 定 程 度 后 才 以 表 型 的 巨 变 表 现 出 来, 我 们 很 难 时 时 观 察 到, 并 且 有 时 生 物 还 会 以 某 种 假 象 来 迷 惑 我 们 2. 进 化 思 想 的 发 生 与 发 展 2.1 早 期 的 进 化 学 说 法 国 的 布 丰 (George.Buffon) 是 第 一 个 具 体 涉 及 进 化 学 说 的 学 者 他 认 为 物 种 是 可 变 的, 生 物 是 逐 渐 演 化 的, 并 且 环 境 对 生 物 的 进 化 有 直 接 影 响 1809 年 拉 马 克 (J.B.Lamarck) 发 表 了 动 物 学 的 哲 学, 他 的 主 要 观 点 包 括 (1) 物 种 的 变 异 是 连 续 的 渐 变 过 程, 赞 成 生 命 是 由 非 生 命 物 质 产 生 的 (2) 生 物 自 身 具 有 一 种 从 低 级 向 高 级 发 展 的 力 量, 所 以 生 物 之 间 存 在 等 级 差 异 (3) 不 承 认 有 真 正 的 物 种 绝 灭, 认 为 史 上 灭 绝 的 物 种 只 是 转 变 成 了 另 外 的 物 种 继 续 向 上 发 展 (4) 认 为 环 境 对 生 物 的 进 化 只 有 间 接 影 响, 而 进 化 的 真 正 的 原 因 是 生 物 内 在 的 要 求, 将 其 概 括 为 两 条 法 则 用 进 废 退 和 获 得 性 状 遗 传 2.2 达 尔 文 的 进 化 论 达 尔 文 (Darwin) 年 轻 的 时 候 相 信 上 帝 有 目 的 地 设 计 和 创 造 了 一 个 完 美 永 恒 不 变 的 世 界 直 到 踏 上 贝 格 尔 军 舰 环 球 考 察 20 年 之 后, 他 才 完 成 了 头 脑 里 的 进 化 思 想 革 命 1859 年 物 种 起 源,1868 年 动 物 和 植 物 在 家 养 下 变 异 和 1869 年 人 类 起 源 和 性 的 选 择, 达 尔 文 给 我 们 带 来 了 一 个 没 有 上 帝, 没 有 永 恒 不 变, 却 有 过 去 漫 长 而 曲 折 的 演 化 历 史, 更 有 变 化 无 穷, 充 满 竞 争 的 世 界 美 国 自 然 历 史 博 物 馆 成 立 125 周 年 纪 念 专 刊 是 这 样 评 价 达 尔 文 的 : 一 个 世 纪 以 前, 达 尔 文 可 能 没 有 意 识 到 他 所 给 予 科 学 的 是 一 件 从 未 有 过 的 强 大 武 器, 即 他 的 进 化 理 论 科 学 家 用 这 把 坚 利 之 剑 斩 断 了 无 知 迷 信 和 傲 慢, 这 些 束 缚 人 类 对 亿 万 年 来 的 生 命 的 了 解 的 镣 铐 而 他 的 进 化 思 想 主 要 包 括 有 : 1. 否 定 生 物 的 一 成 不 变, 认 为 物 种 是 不 断 进 化 的 2. 渐 变 性 进 化 学 说 承 认 生 物 会 产 生 连 续 变 异, 并 能 将 一 部 分 变 异 遗 传 给 后 代 3. 共 同 祖 先 学 说 认 为 相 似 的 生 物 都 有 相 互 联 系, 是 从 一 个 共 同 祖 先 传 下 来 的, 物 种 之 间 的 差

3 异 是 由 变 异 的 积 累 造 成 的 4. 自 然 选 择 学 说, 简 单 地 说 就 是 适 应 环 境 的 变 异 被 保 留 下 来, 不 适 应 的 被 淘 汰 即 自 然 选 择 是 生 物 进 化 的 主 要 动 力 5. 种 的 形 成 增 殖 绝 灭, 强 调 地 理 隔 离 对 形 状 分 歧 和 新 种 形 成 的 促 进 作 用 ( 如 加 拉 把 戈 斯 群 岛 雀 ) 6. 性 选 择 是 自 然 选 择 的 特 殊 方 式, 通 常 表 现 为 雄 性 为 占 有 雌 性 而 引 起 斗 争 其 中 自 然 选 择 是 达 尔 文 进 化 论 的 核 心 内 容, 也 成 了 后 来 各 进 化 学 派 进 化 论 争 的 焦 点 在 这 样 的 争 论 中 达 尔 文 进 化 论 得 到 不 断 的 完 善, 焕 发 出 顽 强 的 生 命 力 : 从 达 尔 文 主 义 到 新 达 尔 文 主 义, 从 新 达 尔 文 主 义 到 现 代 达 尔 文 主 义, 直 至 中 性 突 变 学 说 2.3 新 达 尔 文 主 义 新 达 尔 文 主 义 是 对 达 尔 文 进 化 论 进 行 的 一 次 大 的 修 正 和 补 充 其 中, 魏 斯 曼 (weismann) 提 出 种 质 选 择 学 说 反 对 了 达 尔 文 的 泛 生 论 和 获 得 性 遗 传 思 想 ; 孟 德 尔 (G.Medel) 的 遗 传 因 子 说 及 分 离 和 独 立 分 配 两 个 遗 传 定 律 和 摩 尔 根 (T.Morgan) 的 连 锁 遗 传 定 律 ( 确 认 基 因 位 于 染 色 体 上 ) 取 代 了 传 统 的 融 合 遗 传 理 论, 认 识 到 染 色 体 的 变 化 是 引 起 性 状 变 异 的 根 本 原 因 ( 达 尔 文 并 不 清 楚 变 异 产 生 的 原 因 ), 而 摩 尔 根 的 基 因 论 更 是 成 为 建 立 遗 传 学 的 基 础 ; 德 弗 里 斯 (de Vries) 引 入 的 骤 变 进 化 的 概 念, 说 明 生 物 的 进 化 不 一 定 都 是 渐 变 的 2.4 现 代 综 合 进 化 论 20 世 纪 30 年 代 以 来, 杜 布 赞 斯 基 (T.Dobzhansky), 赫 胥 黎 (J.S.Huxley) 等 生 物 学 家 在 达 尔 文 的 自 然 选 择 学 说 和 新 达 尔 文 主 义 的 基 因 学 说 的 基 础 上, 综 合 群 体 遗 传 学, 古 生 物 学, 生 态 学 的 新 成 就, 创 立 了 现 代 达 尔 文 主 义, 主 要 是 认 为 进 化 的 实 质 在 于 基 因 频 率 的 改 变, 表 现 在 两 个 方 面 : 1. 种 群 是 生 物 进 化 的 基 本 单 位 自 然 选 择 是 通 过 改 变 种 群 的 基 因 频 率 而 决 定 了 生 物 的 进 化 方 向 所 谓 的 基 因 频 率 是 指 一 个 群 体 里 某 一 等 位 基 因 的 数 量 2. 突 度 选 择 隔 离 是 物 种 形 成 及 生 物 进 化 的 三 个 基 本 环 节 突 变 为 生 物 的 进 化 提 供 了 原 材 料, 包 括 染 色 体 畸 变 和 基 因 突 变 ; 选 择 是 对 突 变 基 因 进 行 筛 选, 剔 除 有 害 的, 加 强 有 利 的 ; 隔 离 是 将 被 选 择 的 基 因 固 定 下 来, 首 先 是 地 理 隔 离, 再 形 成 生 殖 隔 离, 最 终 是 新 种 的 形 成 到 了 70 年 代, 杜 布 赞 斯 基 又 结 合 分 子 遗 传 学 的 研 究 成 果 提 出 了 新 综 合 进 化 论, 或 称 为 分 子 水 平 的 综 合 理 论 泰 瑟 尔 (Teissier), 赫 利 特 尔 (L.Heritier) 是 该 理 论 的 代 表 人 物 他 们 认 为 自 然 选 择 不 是 单 纯 的 筛 子 而 有 不 同 的 表 现 模 式, 即 消 除 有 害 等 位 基 因 的 正 常 化 选 择 ; 在 位 点 上 保 留 不 同 等 位 基 因 的 平 衡 选 择 ( 如 杂 和 镰 刀 形 红 细 胞 可 以 抗 疟 疾 ); 产 生 进 化 变 异 的

4 定 向 选 择 ( 如 蛾 的 工 业 黑 化 ), 解 释 了 适 应 和 生 物 多 样 性 的 起 源 2.5 中 性 进 化 学 说 1968 年 日 本 遗 传 学 家 木 村 资 生 (M.Kimura) 根 据 核 酸, 蛋 白 质 中 核 苷 酸 和 氨 基 酸 置 换 速 率 以 及 这 种 置 换 所 造 成 核 酸, 蛋 白 质 分 子 的 改 变 并 不 影 响 生 物 大 分 子 的 功 能, 提 出 了 分 子 进 化 的 中 性 学 说, 认 为 生 物 进 化 主 要 是 中 性 突 变 在 自 然 群 体 中 进 行 随 机 遗 传 漂 变 的 结 果 随 后 美 国 的 雅 克 金 (J.L.King), 托 马 斯 朱 可 斯 (T.H.Jakes) 提 出 非 达 尔 文 主 义, 支 持 了 木 村 的 中 性 学 说 分 子 水 平 上 的 进 化 有 着 与 达 尔 文 主 义 不 同 的 特 点 : 1. 生 物 大 分 子 的 大 多 数 突 变 是 中 性 或 近 中 性 的, 对 生 物 的 生 存 既 无 利 也 无 害, 同 义 突 变 非 功 能 性 突 变 都 属 于 中 性 突 变, 因 此 不 受 自 然 选 择 的 作 用 2. 不 同 物 种 同 源 大 分 子 进 化 速 率 相 对 恒 定, 并 且 由 中 性 突 变 的 速 率 决 定 的 计 算 公 式 为 k=d/2tn,k 是 分 子 进 化 速 率,d 是 氨 基 酸 或 核 苷 酸 突 变 数 目,N 是 大 分 子 结 构 单 元 ( 氨 基 酸 或 核 苷 酸 ) 总 数,2t 是 进 化 时 间 3. 同 一 个 体 的 不 同 功 能 分 子 有 着 不 同 的 进 化 速 率 对 于 蛋 白 质 而 言 就 是 功 能 重 要 的 分 子 的 进 化 速 率 远 低 于 功 能 不 重 要 的 分 子, 对 于 核 酸 分 子 表 现 为 功 能 区 的 进 化 速 率 明 显 低 于 重 复 区 ( 表 1) 4. 由 于 不 受 自 然 选 择 的 作 用, 中 性 突 变 基 因 是 通 过 遗 传 漂 变 在 群 体 中 固 定 下 来 表 1 不 同 蛋 白 质 的 进 化 速 率 蛋 白 质 每 亿 年 的 PAM 数 蛋 白 质 每 亿 年 的 PAM 数 免 疫 球 蛋 白 (Ig)κ 链 C 区 37 胰 蛋 白 酶 5.9 κ 酪 蛋 白 33 胰 岛 素 4.4 上 皮 生 长 因 子 26 细 胞 色 素 c 2.2 血 清 白 蛋 白 19 谷 氨 酸 脱 氢 酶 0.9 血 红 蛋 白 α 链 12 组 蛋 白 H 肌 球 蛋 白 8.9 组 蛋 白 H 神 经 生 长 因 子 8.5 注 :PAM 为 accepted point mutation 的 缩 写, 表 示 蛋 白 质 中 被 自 然 选 择 接 受 的 单 个 氨 基 酸 替 换 来 源 于 Jonathan Pevsner 著, 孙 之 荣 译. 生 物 信 息 学 与 功 能 基 因 组 学 (Bioinformatics and Functional Genomics) 化 学 工 业 出 版 社 间 续 平 衡 论 与 传 统 物 种 是 渐 进 形 成 的 观 点 不 同, 艾 德 里 奇 (N.Eldrtedge) 和 戈 尔 德 (S.Gould) 于 1972 年

5 提 出 : 新 物 种 是 在 短 时 间 内 出 现, 然 后 保 持 长 时 间 的 进 化 停 滞, 直 到 另 一 次 快 速 的 种 的 形 成, 即 间 续 平 衡 论 ( 图 1) 原 因 是 出 土 的 大 量 化 石 记 录 中 少 见 生 物 进 化 的 中 间 类 型 1984 年 发 现 的 云 南 潧 江 动 物 化 石 群 就 为 寒 武 纪 物 种 大 爆 发 提 供 了 依 据 然 而 现 代 分 子 遗 传 分 析 结 果 又 提 出 了 新 的 不 同 意 见, 弗 瑞 (Wray), 阿 亚 拉 (Ayala) 等 用 分 子 钟 的 方 法 推 断 后 生 动 物 早 在 寒 武 纪 之 前 就 产 生 了 直 到 今 天, 关 于 种 的 形 成 方 式 仍 然 是 进 化 生 物 学 家 争 论 的 热 点 图 1 物 种 形 成 的 两 种 模 式 a 间 续 平 衡 模 式 b 线 系 渐 变 模 式 注 : 来 源 于 le/316/327/2007/ htm 略 有 改 动 3. 进 化 生 物 学 研 究 现 状 3.1 基 因 组 学 与 进 化 的 结 合 基 因 组 (genome) 是 细 胞 中 所 有 的 DNA, 包 括 所 有 的 基 因 和 基 因 间 区 域, 携 带 着 维 持 生 物 体 生 命 形 式 所 必 需 的 所 有 生 物 信 息 生 物 进 化 的 现 代 研 究 几 乎 都 做 到 了 分 子 水 平 了, 也 就 是 说 物 种 的 DNA 蛋 白 质 序 列 成 了 主 要 的 研 究 对 象, 这 就 要 求 对 物 种 的 单 个 基 因 或 整 个 基 因 组 进 行 测 序, 从 1977 年 第 一 个 被 测 序 的 基 因 组 ΦX174 噬 菌 体 (5386 碱 基 对 ) 到 2001 年 发 表 的 人 类 基 因 组 计 划 (HGP) 的 拼 接 分 析 结 果 说 明 测 序 技 术 已 经 十 分 成 熟 了 基 于 这 些 序 列 数 据, 进 化 生 物 学 家 主 要 做 两 方 面 的 工 作 : 一 方 面 是 寻 找 一 些 年 轻 基 因, 如 jingwei(longet al.,1993) 基 因,Sphinx(Wang et al.,2002) 基 因, 从 而 探 索 基 因 组 本 身 进 化 的 过 程 和 规 律 另 一 方 面 是 可 以 比 较 不 同 生 物 的 同 源 DNA 或 蛋 白 质 序 列, 从 基 因 组 的 水 平 理 解 和 诠 释 生 物 进 化, 如 系 统 发 生 树 的 构 建 下 面 就 两 方 面 的 研 究 现 状 和 方 法, 谈 一 谈 基 因 的 起 源 与 进 化 早 在 上 世 纪 80 年 代 就 有 人 证 明 了 外 显 子 重 排 (exon shuffling) 是 新 基 因 产 生 的 有 效 途 径 之 一, 而 传 统 的 看 法 则 仅 限 于 认 为 新 基 因 应 该 来 自 旧 基 因 的 突 变 这 无 疑 告 诉 我 们 生 物 本 身 存 在 一 种 机 制 使 自 己 得 到 进 化 的 机 会, 当 然 它 必 须 经 过 自 然 的 选 择 现 在 一 般 认 为 有 两 种 主 要 方 式 将 导 致 外 显 子 重 排, 异 常 重 组 (illegitimate recombination) 和 由 LINE(long interspersed nuclear element, 长 散 布 核 元 件 ) 介 入 的 相 邻 外 显 子 转 导 1993 年 在 加 州 大 学 戴 维 斯 分 校 念 博 士 的 龙 漫 远 在 果 蝇 中 发 现 了 第 一 个 年 轻 基 因 并 将 其 命 名 为 精 卫 (jingwei)( 图 2), 现 在 我 们 不 仅

6 知 道 精 卫 是 一 个 奇 异 的 狮 身 人 首 式 的 嵌 合 结 构, 而 且 还 知 道 它 起 源 于 200 万 年 前, 是 两 个 果 蝇 物 种 (D.teissieri 和 D.yakuba) 的 共 同 祖 先 基 因 组 中 转 录 形 成 的 乙 醇 脱 氢 酶 (Adh)RNA, 再 反 转 录 成 cdna 插 入 到 另 一 个 基 因 的 内 含 子 中, 并 捕 获 了 启 动 子 和 上 游 调 控 元 件, 从 而 得 以 表 达 因 此, 除 了 本 身 的 科 学 价 值 外, 这 项 研 究 还 告 诉 我 们 了 新 基 因 产 生 的 另 一 种 方 式 逆 转 座 (retrotransposition) 即 指 转 录 产 生 的 hnrna ( 核 不 均 一 RNA), 经 过 加 工 形 成 mrna, 再 通 过 逆 转 录 酶 合 成 cdna 插 人 到 基 因 组 的 任 一 位 点 的 过 程 无 疑 jingwei 是 一 位 幸 运 儿, 因 为 大 多 数 逆 转 录 形 成 的 新 拷 贝 因 缺 失 启 动 子 和 上 下 游 调 控 序 列 而 成 了 假 基 因 (pseudogenes), 除 非 能 插 入 到 其 它 基 因 的 调 控 序 列 下 游 显 而 易 见 由 逆 转 录 途 径 起 源 的 新 基 因 没 有 内 含 子 图 2.jingwei 基 因 的 转 录 结 构 单 元 jingwei 基 因 大 约 为 两 个 年 龄 单 位 (MY,1MY=one million years) 在 基 因 组 中 相 当 于 一 个 婴 儿 注 : 来 源 于 Manyuan Long, Charles H.Langley : Natual Selection and Origin of jingwei a Chimeric Processed Function Gene in Drosophila,Science,1993,260:91-95 间 隔, 含 有 多 聚 腺 嘌 呤 核 苷 酸 (polya) 序 列 和 基 因 两 翼 有 短 的 重 复 序 列 等 特 点, 这 些 也 成 了 识 别 它 们 的 有 用 标 记 近 年 来 基 因 重 复 (gene duplication) 的 研 究 为 我 们 能 更 好 的 理 解 新 基 因 的 起 源 基 因 家 族 的 形 成 基 因 水 平 的 多 样 性 提 供 了 理 论 依 据, 它 包 括 全 基 因 组 的 倍 增, 一 条 或 部 分 染 色 体 的 倍 增 和 单 个 或 几 个 相 关 基 因 的 倍 增 现 代 研 究 认 为 万 千 生 物 基 因 数 目 差 距 如 此 大 不 是 渐 变 的, 而 是 源 于 两 次 基 因 爆 发 : 第 一 次 发 生 在 14 亿 年 前 真 核 生 物 出 现 时, 数 目 从 数 千 个 增 至 1 万 多 个 ; 第 二 次 是 随 着 原 始 的 脊 椎 动 物 出 现 而 发 生 的, 增 加 到 个 以 上, 基 因 重 复 在 这 个 过 程 中 起 了 关 键 作 用 Wolfe KH 和 Shield DC 对 酵 母 基 因 组 DNA 序 列 的 研 究 就 发 现 了 全 基 因 组 在 1 亿 年 前 完 全 倍 增 的 证 据 并 且 同 源 多 倍 体 在 植 物 中 是 很 常 见 的, 像 天 南 星 科 鸢 尾 科 植 物 等 而 染 色 体 的 不 等 位 交 换 (unequal crossing-over) 和 逆 转 座 等 方 式 则 会 导 致 基 因 的 重 复 ( 图 3 4) 不 难 理 解 基 因 重 复 引 起 的 基 因 进 化 的 原 因, 基 因 重 复 最 初 是 形 成 两 个 相 同 的 基 因, 其 中 一 个 为 了 维 持 正 常 的 生 理 功 能 受 到 强 的 选 择 压 力, 而 很 少 发 生 突 变 或 发 生 中 性 突 变, 另 一 个 则 不 必 经 受 一 样 的 选 择 压 力, 能 积 累 更 多 的 随 机 突 变,

7 图 3. 染 色 体 上 基 因 的 不 等 交 换 导 致 基 因 Ⅱ 重 复 注 : 来 源 于 Manyuan Long, Evolution of novel genes, Current Opinion in Genetics & Development 2001, 11: 图 4. 由 逆 转 座 形 成 的 基 因 重 复,LINE-1 参 加 该 过 程 注 : 来 源 于 Manyuan Long, Evolution of novel genes, Current Opinion in Genetics & Development 2001, 11: 从 而 很 有 可 能 进 化 出 新 的 功 能 珠 蛋 白 基 因 家 族 和 脊 椎 动 物 HOX 基 因 家 族 的 形 成 过 程 就 是 该 理 论 的 有 力 证 据 经 过 近 几 年 众 多 科 学 家 的 努 力 发 现 基 因 进 化 的 方 式 还 有 可 移 动 元 件 (mobile elements) 和 基 因 水 平 转 移 (lateral gene transfer) 等, 丰 富 了 基 因 进 化 理 论 除 此 以 外, 我 们 还 关 心 新 基 因 发 生 后 的 一 系 列 后 续 问 题, 其 中 最 引 人 关 心 的 是 : 它 是 如 何 在 种 群 中 固 定

8 下 来 的 现 在 发 现 在 新 基 因 起 源 过 程 中 自 然 选 择 (natural selection) 起 到 了 重 要 作 用, 例 如 jingwei 起 源 后 的 最 初 阶 段 就 受 到 正 选 择 (positive selection) 的 推 动 作 用 而 进 化 的 特 别 快 ( 快 倍 ), 后 续 发 现 的 新 基 因 中 也 证 明 了 正 选 择 的 存 在, 新 基 因 的 功 能 进 化 完 成 后 则 受 到 负 选 择 (negative selection) 作 用 以 便 能 在 群 体 中 固 定 下 来 用 统 计 学 的 方 法 分 析 新 基 因 的 DNA 序 列 则 可 以 检 验 自 然 选 择 是 否 存 在,1989 年 Tajima 提 出 第 一 个 检 验 方 法 D 检 验 后, 相 继 出 现 了 一 系 列 相 关 的 检 验 手 段 而 我 了 解 的 最 多 的 是 用 基 因 的 Ka/Ks (Ka 代 表 非 同 义 突 变 率,Ks 代 表 同 义 突 变 率 ) 比 值 来 判 断 是 受 到 正 选 择 还 是 负 选 择, 若 Ka/Ks>1, 表 示 基 因 受 到 正 选 择 作 用 ; 若 Ka/Ks>1, 基 因 就 受 到 负 选 择 作 用 ; 若 Ka/Ks=1, 表 示 不 受 自 然 选 择 为 中 性 然 后 用 Ka,Ks 构 建 Z 检 验 [Z=(Ka-Ks)/ V(Ka-Ks), 代 表 根 号,V 代 表 方 差 计 算 ], 若 表 现 为 显 著 结 果 就 说 明 自 然 选 择 的 存 在 然 而 一 个 检 验 法 并 不 能 完 全 准 确 的 说 明 什 么, 需 要 多 个 检 验 法 配 套 使 用 表 2 迄 今 已 发 现 的 年 轻 基 因 注 : 来 源 于 李 盺, 杨 爽 等. 新 基 因 起 源 与 进 化. 科 学 通 报.2004, , 略 有 改 动 从 第 一 个 新 基 因 发 现 到 现 在 也 就 十 多 年 的 时 间, 而 人 们 已 经 发 现 了 一 系 列 的 新 基 因 ( 表 2 总 结 了 目 前 所 发 现 的 年 轻 基 因 ) 除 了 对 新 基 因 的 功 能, 起 源 方 式 的 研 究 外, 人 们 也 相 继 提 出 了 重 复 基 因 进 化 过 程 的 中 固 定 模 型, 并 证 明 了 自 然 选 择 也 在 其 中 发 挥 了 重 要 作 用 现 在 人 们

9 正 试 图 了 解 新 基 因 产 生 后 与 原 基 因 组 之 间 的 相 互 关 系, 然 而 仍 有 一 个 疑 问 困 惑 着 我 : 新 基 因 起 源 后 要 么 单 独 地 具 有 新 功 能, 要 么 与 原 基 因 相 互 协 调 加 强 原 有 功 能, 要 么 就 失 去 功 能 性 成 为 假 基 因, 因 此 我 认 为 产 生 新 基 因 是 使 基 因 原 有 功 能 得 到 完 善, 使 个 体 能 更 好 适 应 环 境, 假 基 因 的 出 现 是 这 个 过 程 所 付 出 的 代 价 ( 但 有 些 实 验 证 明 某 些 基 因 的 死 亡 也 推 动 了 物 种 的 进 化 ), 但 这 并 没 有 完 全 解 释 新 基 因 起 源 和 进 化 的 原 动 力 问 题 如 果 孤 立 地 看 新 基 因 起 源 的 确 像 是 随 机 事 件, 但 生 物 世 界 不 是 一 个 个 独 立 事 件 的 集 合, 而 是 一 个 个 千 丝 万 缕 的 联 系 组 成 的 网 络, 就 需 要 我 们 站 在 一 个 高 度 ( 至 于 要 多 高 我 不 清 楚 ) 综 合 地 看 待 起 源 问 题 我 的 想 法 是 : 自 然 选 择 这 只 无 形 的 手 在 新 基 因 的 起 源 上 不 仅 是 无 情 的 清 道 夫, 更 像 是 博 爱 的 创 造 者 系 统 发 生 树 的 构 建 达 尔 文 在 物 种 起 源 中 就 提 到 同 类 的 所 有 生 物 之 间 的 亲 缘 关 系 可 以 用 一 棵 很 大 的 生 命 之 树 来 表 示 后 来 大 多 进 化 树 的 建 立 仅 仅 是 依 赖 于 形 态 学 上 的 差 异, 当 然 这 样 的 进 化 树 是 不 完 整 的, 错 误 较 多 的 直 到 上 世 纪 60 年 代 Linus Pauling 及 其 合 作 者 提 出 了 分 子 钟 假 说, 为 系 统 发 生 树 的 构 建 提 供 了 新 的 理 论 依 据 下 面 谈 谈 系 统 发 生 树 的 一 般 构 建 方 法 : 1. 通 常 选 择 核 苷 酸 或 氨 基 酸 序 列 进 行 系 统 发 生 分 析, 一 般 人 们 更 倾 向 于 将 蛋 白 质 序 列 用 于 系 统 发 生 的 分 析, 即 使 DNA 系 列 所 包 含 的 信 息 量 要 更 多 些 线 粒 体 DNA(mtDNA), 核 糖 体 小 亚 基 RNA ( 如 原 核 生 物 的 16sr RNA) 由 于 其 遗 传 与 序 列 特 性 也 常 用 于 树 的 构 建 2. 根 据 选 择 的 遗 传 材 料 进 行 多 重 序 列 比 对 是 重 建 系 统 发 生 树 中 关 键 的 一 步, 它 要 求 我 们 首 先 判 断 序 列 的 同 源 性, 因 为 即 使 多 条 不 相 关 的 序 列 也 可 以 通 过 建 树 的 方 法 得 到 一 个 树 形 图, 但 它 不 具 有 任 何 的 生 物 学 意 义 接 下 来 是 采 用 算 法 对 序 列 进 行 比 较, 现 在 最 常 用 的 是 Feng 和 Doolittle 的 渐 进 比 对 方 法, 它 需 要 先 对 所 有 序 列 两 两 之 间 先 实 行 双 序 列 比 对, 得 到 它 们 之 间 的 远 近 关 系 ( 一 般 使 用 相 似 度 矩 阵 计 算 ) 后 建 立 辅 助 导 向 树, 最 后 建 立 多 重 比 对 现 在 有 很 多 数 据 库 和 程 序 都 可 以 高 效 的 完 成 上 述 过 程, 如 Pfam 数 据 库 ClustalW 程 序 PileUp 程 序 等 3. 利 用 比 对 数 据 构 建 系 统 发 生 树, 一 般 是 两 种 方 法 : 基 于 距 离 的 方 法 和 基 于 字 母 的 方 法 前 者 包 括 UPGMA( 非 权 重 的 成 对 算 术 平 均 值 法 ),NJ( 近 邻 法 ); 后 者 包 括 MP( 最 大 简 约 法 ),ML( 最 大 似 然 法 ), 贝 叶 斯 法 有 的 学 者 认 为 贝 叶 斯 的 方 法 最 好, 其 次 是 ML, 然 后 是 MP, 其 实 每 一 种 方 法 都 有 它 的 局 限 性 不 是 万 能 的,NJ 可 以 简 易 进 行 数 据 处 理, 却 会 丢 失 一 些 信 息 ;MP 要 比 NJ 更 为 严 密, 却 不 能 处 理 较 大 的 数 据 因 此 必 须 根 据 具 体 的 实 验 情 况, 选 择 合 适 的 方 法 4. 评 估 进 化 树 的 准 确 性 正 是 由 于 树 构 建 法 的 局 限 性 会 引 起 对 最 终 结 果 产 生 怀 疑, 我 们 必 须

10 对 树 的 密 度 效 率 和 鲁 棒 性 进 行 评 估 引 导 检 测 (Bootstrap) 是 最 常 用 的 方 法, 它 是 指 从 原 有 序 列 中 随 机 抽 取 纵 列 组 成 新 的 比 对 序 列 进 行 第 二 次 多 重 序 列 比 对, 就 会 产 生 一 个 引 导 值, 如 果 这 个 引 导 值 大 于 70%, 我 们 就 可 以 接 受 该 进 化 树 5. 用 分 子 钟 估 计 各 序 列 分 化 的 时 间 需 要 注 意 的 是 不 同 的 物 种 有 不 同 的 分 子 钟, 并 且 在 使 用 之 前 我 们 还 要 利 用 化 石 记 录 校 正 分 子 钟 为 现 代 人 类 走 出 非 洲 的 假 说 提 供 证 据 的 实 验 就 是 由 上 述 方 法 完 成 的,1987 年 加 州 Berkeley 的 Allan C. Wilson 实 验 小 组 对 147 个 现 代 人 类 的 mtdna 展 开 了 分 析, 得 出 的 结 论 是 这 些 mtdna 都 起 源 于 200,000 前 的 一 位 非 洲 女 性, 随 后 人 们 又 利 用 Y 染 色 体 的 单 核 苷 酸 多 态 性 (SNP) 进 一 步 证 实 了 人 类 起 源 于 非 洲, 并 将 人 类 出 现 于 非 洲 的 时 间 定 于 150,000 年 前 但 是 今 天 我 们 在 构 建 人 类 进 化 图 谱 的 时 候 仍 然 面 对 不 比 20 年 前 小 的 挑 战, 那 就 是 没 有 足 够 的 化 石 可 以 使 用, 因 此 很 难 准 确 地 估 计 线 粒 体 替 代 率 最 近 牛 津 大 学 的 科 学 家 们 使 用 松 散 分 子 钟 的 贝 叶 斯 法 对 177 个 人 类 线 粒 体 基 因 组 进 行 了 分 析, 实 验 中 并 采 用 了 不 同 的 校 准 方 法, 结 果 表 明 使 用 不 同 的 数 据 组 合 和 校 准 方 法 计 算 得 到 的 替 代 率 和 分 化 时 间 相 差 很 大 为 了 提 高 分 子 进 化 树 的 真 实 性, 人 们 又 提 出 了 用 全 基 因 组 序 列 建 树, 这 就 更 依 赖 于 计 算 机 了, 如 何 高 效, 全 面 地 利 用 这 些 海 量 信 息 又 给 我 们 提 出 了 新 的 挑 战 3.2 行 为 学 与 进 化 的 结 合 生 物 行 为 学 中 所 说 的 的 行 为 通 常 是 指 生 物 的 各 种 形 式 的 运 动, 如 鸣 叫 发 声, 身 体 的 姿 态, 个 体 间 的 通 讯 等, 那 些 能 够 引 起 其 它 个 体 行 为 发 生 反 应 的 所 有 外 部 可 识 别 的 变 化, 如 身 体 颜 色 的 变 化, 气 味 的 释 放 也 可 以 认 为 是 生 物 行 为 的 一 部 分 最 早 的 行 为 学 研 究 基 本 上 都 停 留 于 形 态 上, 直 到 19 世 纪 随 着 解 剖 学 的 发 展 才 认 识 到 生 物 行 为 的 生 理 基 础 是 神 经 系 统 和 内 分 泌 系 统 对 骨 骼 肌 肉 的 协 调 最 简 单 的 单 细 胞 生 物 对 外 界 刺 激 只 能 作 出 简 单 的 应 答 行 为, 人 类 则 拥 有 意 识 对 环 境 进 行 改 造 因 此 大 多 数 行 为 是 可 以 由 基 因 决 定 的, 行 为 的 进 化 与 基 因 的 进 化 有 密 切 的 关 系 2001 年 上 海 神 经 所 郭 爱 克 小 组 研 究 了 果 蝇 面 对 抉 择 时, 大 脑 是 如 何 工 作 的 2006 年 北 京 生 物 物 理 所 刘 力 实 验 小 组 同 样 选 择 果 蝇 作 研 究, 揭 示 了 果 蝇 对 视 觉 图 形 的 识 别 过 程 并 且 Nature 发 表 评 论 认 为 果 蝇 是 研 究 神 经 结 构 及 其 功 能 较 好 的 模 式 动 物 从 上 述 两 个 实 验 小 组 的 研 究 结 果 中, 我 们 可 以 看 到 在 基 因 脑 行 为 是 果 蝇 中 行 为 发 生 的 普 遍 模 式 就 在 去 年 美 国 科 学 家 利 用 化 石 记 录 发 现 了 捕 食 行 为 与 海 洋 生 物 多 样 性 的 进 化 有 重 要 联 系, 而 两 者 之 间 的 具 体 关 系 还 没 有 弄 明 白, 当 然 研 究 人 员 也 没 有 排 除 还 有 其 它 因 素 会 在 这 个 过 程 中 起 作 用 我 认 为 对 生 物 节 律 行 为 的 研 究 能 说 明 这 个 领 域 的 发 展 情 况, 下 面 就 生 物 节 律 谈 一 谈 : 很 早 人 们 就 知 道 自 然 界 中 几 乎 所 有 的 生 物 的 生 命 活 动 都 表 现 有 一 定 的 周 期 性, 就 像 它 们 体 内

11 有 一 个 摆 钟 在 控 制 它 们 的 体 内 生 理 活 动 和 体 外 行 为 一 样, 后 来 人 们 把 这 种 现 象 称 为 生 物 节 律 (biological rhythms), 生 物 钟 是 由 输 入 通 路, 中 央 振 荡 器 和 输 出 通 路 三 部 分 组 成, 是 在 地 球 昼 夜 环 境 周 期 性 的 变 化 中 进 化 形 成 的, 因 此 它 能 够 使 生 物 体 本 身 的 节 律 与 环 境 节 律 同 步 化 1971 年 Konopka 和 Benzer 采 用 化 学 突 变 得 到 第 一 个 生 物 钟 基 因 突 变 果 蝇, 最 初 人 们 使 用 单 基 因 突 变 法 来 获 得 生 物 钟 基 因 突 变 体, 现 在 使 用 基 因 敲 出 技 术 (gene knock-out) 来 研 究 生 物 钟 基 因 的 功 能 随 着 研 究 的 深 入, 人 们 发 现 越 高 等 的 动 物, 参 与 调 节 生 物 节 律 的 生 物 钟 基 因 越 多, 其 调 节 机 制 越 复 杂 例 如, 在 蓝 细 菌 中, 主 要 由 三 个 基 因 kaia kaib kaic 的 产 物 构 成 反 馈 调 节 回 路 ; 在 果 蝇 中 per tim cyc clk dbt vri 等 几 种 基 因 参 与 反 馈 调 节 回 路 ; 在 哺 乳 动 物 中 ( 主 要 是 小 鼠 ), 生 物 钟 主 要 位 于 下 丘 脑 的 视 交 叉 上 核 (suprachiasmatic nucleus, SCN), 参 与 调 节 的 基 因 更 多, 途 径 更 复 杂 下 图 ( 图 5) 是 果 蝇 中 生 物 基 因 的 调 节 模 式 : 图 5 果 蝇 的 生 物 钟 的 调 节 模 式 PER 是 per 产 物 ;TIM 是 tim 产 物 ;CYC 是 cyc 产 物 ;dclk 是 dclk 产 物,CYC 易 于 dclk 形 成 异 源 二 聚 体 注 : 来 源 于 刘 仲 敏, 张 亚 平.Timeless 与 生 物 钟 基 因. 动 物 学 研 究,2001 (6): 生 物 钟 基 因 的 研 究 除 了 有 助 于 我 们 了 解 生 物 节 律 行 为 是 如 何 产 生, 如 何 演 变 以 外, 还 有 可 能 为 我 们 治 疗 某 些 疾 病 开 辟 新 的 天 地, 肿 瘤 是 人 类 某 些 组 织 失 去 节 律 后 发 生 的, 但 它 却 拥 有 自 身 的 节 律 性, 因 此 可 以 为 我 们 治 疗 它 提 供 精 确 的 时 间 表 4. 我 所 关 注 的 问 题 以 下 是 我 结 合 相 关 资 料, 思 考 的 几 个 问 题, 由 于 某 些 知 识 的 限 制, 难 免 显 得 浅 薄, 敬 请 老 师 指 正 4.1 生 命 的 起 源 及 其 本 质 生 命 从 哪 里 来? 这 也 许 是 生 物 学 中 最 本 质 的 问 题 了, 在 回 答 这 个 问 题 之 前, 首 先 我 们 应 该 知 道 生 命 的 本 质 是 什 么? 生 机 论 者 认 为 生 物 体 内 存 在 一 种 超 物 质 的 力 隐 得 莱 希 (entelechy),

12 机 械 论 者 认 为 生 命 系 统 是 一 种 机 器, 把 生 命 称 为 化 学 机 器 我 认 为 前 一 种 看 法 太 主 观, 后 一 种 太 片 面 后 来 物 理 学 家 薛 定 谔 在 生 命 是 什 么? 一 书 中, 认 为 生 命 之 所 以 能 存 在, 就 在 于 是 从 环 境 中 不 断 地 得 到 负 熵, 有 机 体 是 依 赖 负 熵 为 生 的, 为 我 们 思 考 这 个 问 题 提 供 了 新 的 想 法 现 在 看 来 生 命 是 核 酸, 蛋 白 质 和 其 它 生 物 大 分 子 的 合 理 表 现 形 式, 因 此 我 们 又 不 仅 想 问 核 酸, 蛋 白 质 又 是 怎 么 来 的? 自 然 起 源 与 地 外 起 源 我 觉 得 都 能 解 释 一 些 现 象, 但 我 更 偏 向 认 为 地 球 上 的 生 命 主 要 来 自 地 球 本 身, 无 机 物 有 机 物 生 物 大 分 子 生 命 是 自 然 起 源 假 说 提 出 的, 即 生 命 发 生 的 最 早 阶 段 是 化 学 进 化 最 令 人 激 动 的 是 1981 年 Thomas.Cech 发 现 RNA 具 有 催 化 功 能, 在 此 基 础 上 Gilbelt 提 出 了 RNA 世 界 的 假 说, 认 为 在 DNA 蛋 白 质 出 现 之 前, 起 作 用 的 功 能 分 子 是 RNA, 那 么 RNA 是 如 何 出 现 的?RNA 是 怎 样 完 成 自 我 复 制 的?RNA 世 界 是 怎 么 变 迁 到 DNA/ 蛋 白 质 世 界 的 呢? 我 国 科 学 家 赵 玉 芬 提 出 的 磷 酰 化 氨 基 酸 就 为 核 酸 起 源 提 供 了 思 路, 远 古 地 球 岩 层 里 的 某 些 无 机 催 化 剂 也 起 到 了 一 定 作 用 ;RNA 的 复 制 也 许 是 当 时 部 分 RNA 已 具 有 催 化 自 我 复 制 的 能 力 ( 在 实 验 室 里 已 经 人 工 合 成 出 能 自 我 复 制 的 RNA), 而 且 现 在 有 很 多 证 据 可 以 说 明 氨 基 酸 分 子 早 就 存 在 于 自 然 之 中, 还 可 以 形 成 一 些 短 肽, 可 能 以 一 种 不 为 人 知 的 方 式 与 RNA 相 互 作 用 后 产 生 了 能 合 成 蛋 白 质 的 结 构, 这 只 是 推 测, 细 节 我 们 不 得 而 知, 不 过 可 以 肯 定 的 是 蛋 白 质 的 最 终 出 现 还 依 赖 于 密 码 子 系 统 的 建 立, 它 也 是 化 学 进 化 和 生 命 进 化 之 间 的 连 接 的 桥 梁, 这 又 是 一 个 很 神 秘 的 问 题, 不 过 我 们 可 以 很 好 地 理 解 DNA/ 蛋 白 质 为 什 么 能 取 代 RNA, 蛋 白 质 有 更 大 的 柔 性, 能 行 使 更 多 更 高 效 的 催 化 功 能 ;DNA 能 更 稳 定 地 储 存 遗 传 信 息 但 要 重 现 历 史 我 们 还 需 要 时 间 4.2 上 帝 真 的 置 骰 子 吗? 我 们 可 以 设 想 这 样 一 幕 : 两 个 生 活 在 同 一 个 水 洼 的 吞 噬 细 胞, 其 中 甲 细 胞 在 一 天 早 晨 饱 餐 了 一 顿, 吞 噬 了 一 个 光 合 细 菌, 而 乙 细 胞 则 没 有 那 么 幸 运, 饿 了 一 天 也 许 多 年 以 后 就 因 为 这 一 天 的 不 同 经 历, 甲 细 胞 的 子 孙 们 登 上 陆 地, 踏 上 更 灿 烂 的 生 命 历 程, 而 乙 细 胞 的 后 代 则 永 远 留 在 那 个 洼 池 里, 甚 至 可 能 遭 到 灭 绝 当 然 这 一 幕 不 会 让 我 们 感 到 特 别 惊 讶, 因 为 生 命 的 世 界 里 有 太 多 的 偶 然, 像 前 面 提 到 的 新 基 因 的 起 源 RNA 世 界 等 等 在 单 一 个 体 的 生 活 周 期 中, 有 时 运 气 往 往 决 定 他 的 命 运, 而 放 大 到 一 个 种 群 中 去 看, 它 依 然 很 重 要, 恐 龙 也 许 就 因 为 一 场 突 发 事 件 而 灭 绝 但 我 认 为 我 们 不 能 太 悲 观 的 看 待 这 些 随 机 现 象, 以 RNA 的 产 生 为 例, 说 说 我 的 想 法 : 地 球 早 期 阶 段 经 历 的 是 漫 长 的 化 学 进 化 阶 段, 那 时 就 应 该 具 备 了 各 种 基 本 的 化 学 元 素, 并 且 形 成 了 相 关 的 基 团, 如 磷 酸 基 团 糖 基 团, 基 团 之 间 相 互 吸 引, 相 互 作 用, 在 一 个 RNA 分 子 的 雏 形 出 现 后, 自 然 选 择 开 始 发 挥 作 用 在 一 个 小 的 区 域 内, 这 也

13 许 是 偶 然 事 件, 但 在 地 球 这 个 大 环 境 中, 有 大 量 的 基 团 分 子, 碰 撞 时 刻 在 发 生,RNA 分 子 的 出 现 只 是 个 时 间 问 题 而 恐 龙 的 灭 绝 也 极 有 可 能 跟 它 自 身 有 关, 大 灾 难 发 生 后, 恐 龙 没 有 足 够 的 食 物 供 它 们 生 存 下 来, 而 一 些 相 对 的 小 型 动 物, 如 哺 乳 动 物, 则 能 熬 过 那 段 困 难 时 期, 开 始 走 上 历 史 舞 台 于 是 我 们 可 以 得 到 这 样 一 个 结 论 : 生 物 的 进 化 是 发 生 在 充 分 的 物 质 积 累 的 基 础 上, 它 或 许 没 有 从 低 级 到 高 级 的 预 定 方 向, 但 一 定 是 朝 着 适 应 环 境 的 方 向 进 行 的, 因 此 研 究 环 境 的 进 化, 将 会 启 示 我 们 对 生 物 进 化 的 思 考 4.3 拉 马 克 主 义 是 真 的 吗? 拉 马 克 学 说 的 代 表 主 要 是 获 得 性 遗 传 和 用 进 废 退, 但 在 基 因 学 说 建 立 后, 就 逐 渐 被 达 尔 文 的 自 然 选 择 学 说 所 取 代, 尤 其 是 1943 年 Luria 和 Dellbruck 做 的 波 动 实 验 和 1952 年 Lederberg 的 影 印 培 养 实 验 以 不 可 辩 驳 的 数 据 严 谨 的 推 理 否 定 了 拉 马 克 而 在 1980 年, 加 拿 大 Ontario 癌 症 研 究 所 的 R.M. Gorczynski & E. J. Steele 发 表 在 PNAS 上 的 实 验 结 果 说 明 小 鼠 通 过 注 射 骨 髓 细 胞 淋 巴 细 胞, 可 后 天 获 得 抗 原 耐 受 性 并 将 其 传 给 下 一 代, 掀 起 了 拉 马 克 主 义 的 复 活, 更 具 说 服 力 的 是 1988 年 美 国 哈 佛 大 学 的 John Cairns, Julie Overbaugh & Stephan Miller 筛 选 出 一 类 不 能 编 码 β- 半 乳 糖 苷 酶 ( 由 LacZ 基 因 编 码 ) 的 大 肠 杆 菌 突 变 体, 放 入 乳 糖 为 唯 一 碳 源 的 培 养 基 中, 以 饥 饿 为 诱 导 因 素 来 检 验 细 菌 能 不 能 产 生 定 向 变 异 的 实 验, 结 果 发 现 重 新 激 活 突 变 的 LacZ 基 因 的 大 肠 杆 菌 数 量 比 随 机 突 变 所 预 计 的 高 很 多,Cairns 等 认 为 事 实 上 存 在 适 应 性 变 异, 并 以 The origin of mutants 为 题 发 表 在 同 年 的 Nature 上 ; 随 后 的 报 道 则 发 现 定 向 突 变 具 有 一 定 的 普 遍 性, 现 在 对 基 因 印 迹 的 研 究 也 许 能 为 拉 马 克 主 义 提 供 理 论 支 持, 它 主 要 是 指 环 境 变 化 能 引 起 基 因 的 后 成 修 饰, 如 果 这 种 作 用 是 发 生 在 生 殖 细 胞 中, 就 可 能 将 变 化 遗 传 给 后 代 同 时 还 有 人 提 出 了 超 突 变 模 型 来 解 释 定 向 变 异, 它 是 指 细 菌 在 环 境 压 力 下 会 进 入 超 突 变 状 态, 只 有 获 得 有 益 突 变 的 个 体 存 活, 其 余 的 则 死 亡, 后 来 的 一 些 实 验 也 支 持 了 这 种 说 法, 人 们 现 在 也 开 始 利 用 适 当 的 外 部 压 力 来 改 良 基 因 得 到 更 好 的 形 状, 如 酶 工 程 药 物 的 制 造 我 曾 想 过 这 样 一 个 问 题 : 生 物 在 进 化 过 程 中 难 道 就 一 直 存 于 被 动 地 忍 受 选 择, 而 不 会 主 动 去 适 应 环 境? 自 然 选 择 也 许 是 很 有 说 服 力, 但 我 觉 得 这 并 不 意 味 着 它 是 进 化 的 唯 一 原 因, 基 因 的 后 成 修 饰 已 经 启 示 非 随 机 的 变 异 可 能 是 一 种 正 常 的 遗 传 现 象, 还 需 要 更 巧 妙 更 深 入 的 方 法 来 证 明 这 一 点 4.4 生 物 学 的 架 构 这 个 问 题 很 奇 怪, 但 我 认 为 很 有 趣, 如 自 然 选 择 就 是 生 物 学 中 的 核 心 内 容, 有 点 像 物 理 学 中 的 力, 杨 振 宁 先 生 在 清 华 大 学 演 讲 时 指 出 物 理 学 的 研 究 分 为 三 个 层 次 : 实 验 领 域, 唯 象 理 论, 理 论 架 构 那 生 物 学 是 不 是 也 相 似 呢? 我 想 答 案 是 肯 定 的 生 物 学 的 一 个 特 点 就

14 是 它 所 有 的 知 识 都 来 源 于 实 验, 几 乎 不 可 能 从 理 论 上 获 得, 这 点 与 化 学 很 像 以 前 的 生 物 学 家 大 多 是 以 生 物 的 表 象 进 行 研 究, 而 现 在 我 们 几 乎 都 是 在 分 子 水 平 开 展 实 验, 这 样 就 可 以 积 累 更 多, 更 真 实 的 知 识, 然 而 这 些 知 识 之 间 应 该 是 有 联 系 的, 需 要 我 们 将 它 们 综 合 起 来, 理 出 一 条 线 串 起 来, 我 想 这 就 是 生 物 学 架 构 的 起 点 了 在 处 理 筛 选 海 量 的 生 物 信 息 时 我 们 需 要 计 算 机 的 帮 忙 来 确 定 哪 些 信 息 是 生 物 必 需 的? 它 们 又 是 如 何 联 系 的? 如 何 协 调 构 成 一 个 生 命 整 体 的? 环 境 在 这 个 过 程 中 如 何 发 挥 作 用? 前 三 个 问 题 在 一 定 程 度 上 是 数 学 问 题, 我 相 信 是 可 以 得 到 满 意 的 答 复, 而 最 后 一 个 问 题 也 许 我 们 不 能 得 到 精 确 的 方 程 式, 但 能 了 解 一 个 趋 势, 到 那 时 可 能 生 物 学 架 构 的 大 体 就 完 成 了, 我 们 人 类 也 可 以 真 正 意 义 上 创 造 基 因, 而 不 是 改 良 了 这 一 切 的 实 现 需 要 像 牛 顿 爱 因 斯 坦 那 样 的 天 才 科 学 家, 更 需 要 成 千 上 万 的 普 通 大 众 的 共 同 努 力 和 一 段 漫 长 的 时 间, 当 然 也 有 很 多 问 题 会 出 现, 但 我 们 不 想 看 到 世 界 变 得 像 骇 客 帝 国 中 描 绘 的 那 样 5. 展 望 近 年 来 生 物 进 化 的 研 究 已 经 取 得 了 巨 大 进 展, 从 分 子 水 平 阐 明 进 化 动 力 的 文 献 越 来 越 多, 也 越 来 越 受 到 人 们 的 关 注 像 十 多 年 前 人 们 还 认 为 人 类 基 因 组 中 有 大 量 的 垃 圾 DNA, 今 天 人 们 重 新 认 识 到 人 类 基 因 组 实 际 上 是 一 个 非 常 复 杂 的 网 络, 所 谓 的 无 用 基 因 实 际 上 非 常 少, 它 们 更 易 发 生 进 化 在 漫 长 的 进 化 过 程 中, 每 种 生 物 都 有 自 己 独 特 的 历 险, 并 把 它 整 合 为 遗 传 信 息 流 传 自 今 第 一 次 读 到 这 些 语 言 时, 我 相 信 每 个 人 会 经 历 一 种 从 兴 奋 到 畏 惧 的 心 理 感 受, 如 果 你 懂 它 们 的 故 事 200 年 前, 英 国 大 诗 人 威 廉 布 莱 克 (Blake william) 曾 写 道 : 一 粒 沙 里 有 一 个 世 界, 一 朵 花 里 有 一 个 天 堂, 把 无 穷 无 尽 握 于 手 掌, 永 恒 宁 非 是 刹 那 时 光 很 早 以 前, 我 们 以 为 只 有 上 帝 的 手 才 做 得 到, 现 在 生 物 学 家 正 在 取 代 上 帝, 事 实 上 他 们 只 想 满 足 好 奇 心 而 已 生 命 这 座 殿 堂 辉 煌 又 神 秘, 注 定 会 吸 引 许 多 热 情 的 人 们, 求 知 欲 牵 着 我 们 的 神 魂, 从 一 个 点 走 到 另 一 个 点, 期 待 着 最 终 将 整 个 世 界 描 绘 出 来 150 年 前, 达 尔 文 赶 走 了 上 帝 ; 最 近 的 50 年 里, 我 们 破 译 了 生 物 的 语 言, 又 有 了 解 读 它 们 的 工 具 ; 今 天, 我 们 向 前 又 迈 进 了 一 大 步 总 有 一 天 诗 人 的 语 言 会 变 为 现 实, 那 将 是 我 们 人 类 最 辉 煌 的 时 刻 参 考 文 献 : 1. 达 尔 文. 物 种 起 源. 周 建 人, 叫 笃 庄, 方 宗 熙 译. 北 京 : 商 务 出 版 社, 陈 阅 增. 普 通 生 物 学. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 张 昀. 生 物 进 化. 北 京 : 北 京 大 学 出 版 社 Stephen.Jones 著. 李 若 溪 译. 达 尔 文 的 幽 灵. 北 京 : 中 国 社 会 科 学 出 版 社.2004

15 5. 赵 玉 芬, 赵 国 辉 主 编. 生 命 起 源 与 进 化. 北 京 : 科 学 技 术 文 献 出 版 社 赵 晓 明. 生 物 遗 传 进 化 学. 北 京 : 中 国 林 业 出 版 社 Francisco J.Ayala,James.W.Valentine. 胡 楷 译. 现 代 综 合 进 化 论. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 张 红 卫 等. 发 育 生 物 学. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 尚 玉 昌. 动 物 行 为 学. 北 京 : 北 京 大 学 出 版 社 寿 天 德. 神 经 生 物 学. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 赵 寿 元, 乔 守 怡 主 编. 现 代 遗 传 学. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 李 盺, 杨 爽 等. 新 基 因 起 源 与 进 化. 科 学 通 报.2004, M.Clark 著. 邱 幼 祥, 高 翔 等 译.ComparativeGenomics( 比 较 基 因 组 学 ). 北 京 : 科 学 出 版 社, C.Denis,R.Gallagher 编.J.D.Watson 序. 林 侠, 李 彦, 张 秀 清 等 译. 人 类 基 因 组 (The Human Genome). 北 京 : 科 学 出 版 社 T.A.Brown 著. 袁 建 刚, 周 严, 强 伯 勤 译.Genomes( 基 因 组 ). 北 京 : 科 学 出 版 社, D.A.Micklos 等 著. 陈 永 青, 谢 建 平 译.DNA Science(DNA 科 学 ). 北 京 : 科 学 出 版 社, Benjamin Lewin 著, 余 龙, 江 松 敏, 赵 寿 元 等 译.GenesⅧ( 基 因 Ⅷ). 北 京 : 科 学 出 版 社, Jonathan Pevsner 著, 孙 之 荣 译.Bioinformatics and Functional Genomics ( 生 物 信 息 学 与 功 能 基 因 组 学 ). 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社 饶 毅, 吴 瑛. 神 经 细 胞 迁 移 导 向 的 分 子 机 制. 生 理 科 学 进 展 (3): 刘 仲 敏, 张 亚 平.Timeless 与 生 物 钟 基 因. 动 物 学 研 究.2001,22 (6): 李 经 才, 于 多 等. 生 物 钟 基 因 研 究 新 进 展.26(1):89-96, 卢 伯 松, 黄 培 堂. 利 用 分 子 进 化 树 计 算 蛋 白 质 的 特 异 进 化 速 率. 遗 传 学 报 (2): 周 琦, 王 文.DNA 水 平 自 然 选 择 作 用 的 检 测. 动 物 学 研 究.2004,25 (1): 陈 玲 玲, 彭 贵 子 等. 突 变 在 基 因 组 进 化 中 的 意 义. 遗 传.28(5): , 彭 贵 子, 陈 玲 玲 等. 基 因 重 复 的 研 究 进 展. 遗 传.28(7): , 吴 平, 张 克 云, 杨 群. 后 生 动 物 起 源 时 间 的 分 子 钟 研 究. 古 生 物 学 报.39(3): , 文 建 凡, 李 靖 炎. 最 原 始 的 真 核 生 物 - 源 真 核 生 物 的 核 骨 架. 中 国 科 学 (C 辑 ).28(5) , 俞 国 琴, 郑 云 飞 等. 古 DNA 及 其 在 生 物 系 统 与 进 化 研 究 中 的 应 用. 植 物 学 通 报.2005,22(3): 宿 兵, 王 银 秋. 基 因 组 演 化 与 人 类 起 源. 科 学.2005,58(6): 于 黎, 张 亚 平. 系 统 发 育 基 因 组 学 - 重 建 生 命 之 树 的 一 条 迷 人 途 径. 遗 传.26(11): , Manyuan Long, Charles H.Langley.Natual Selection and Origin of jingwei a Chimeric Processed Function Gene in Drosophila,Science,1993,260: Manyuan Long, Evolution of novel genes, Current Opinion in Genetics & Development 2001, 11: Wen Wang, Frédéric G.Brunet, Eviatar Nevo, and Manyuan Long.Origin of sphinx,a young chimeric RNA gene in Drosophila melanogaster.(2002).proc.natl.acad.sci.usa Anjana Munshi, Shanti Duvvuri.Genomic Imprinting The Story of the Other Half and the Conflicts of Silencing.Journal of Genetics and Genomics.2007,34(2): 还 有 一 些 知 识 来 至 于 科 学 网 上 的 新 闻 报 道, 没 有 一 一 列 出 来