理论教育 进化力量:基因突变、遗传漂变、进化选择

进化力量:基因突变、遗传漂变、进化选择

时间:2023-11-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:1990年代,人们已经知道引起“进化”的力量非常简单,只有三个。最主要的力量是基因的突变。这个力量曾经使达尔文非常激动。第三个力量是遗传漂变。斯福扎,一个数学天才,意大利的医学博士,通过研究细菌和昆虫的进化给遗传研究带来了新的思路,使人类最后找到了亚当。费希尔及其学生们,从此开始成为遗传科学中的主角,最后大型计算系统被引进了遗传科学。进化选择的研究难点正是速率。

进化力量:基因突变、遗传漂变、进化选择

在寻找人类来源的道路上,人类曾经走过太多的崎岖弯路:骨骼、血型、蛋白、种族、多样性……骨骼无法区分种族,血型也无法区分种族。人的分类是否有意义?遗传学能否解释人类的多样性?而且,直到现在,研究者们依然没有找到我们的男性先祖亚当。

1990年代,人们已经知道引起“进化”的力量非常简单,只有三个。

最主要的力量是基因的突变(mutation)。

没有突变,就没有多态性(polymorphism)。每一代人的每一个基因组(genome,又称染色体组)大约产生30个突变。换句话说,每个人身上都有30个突变,使得他们和自己的父母不同。突变是随机发生的变化,是在细胞分裂过程中,基因复制出现的错误。这和我们买彩票中大奖或不中奖是一个道理。

根据基因理论,物种的形成大体上有四种模式。其中异域型的典型例子是澳大利亚,在大洋隔离的大陆,许多物种独立演化。边域型和临域型是“姐妹物种”,例如高山或河流阻隔群体,分别演化。同域型包括同一地域内发生的基因突变等,例如人科动物很多物种包括人类,都在非洲地区发生了基因突变

生于乌克兰的费奥多西·杜布赞斯基(Theodosius Dobzhansky,1900—1975),27岁移民美国,1937年发表的论文把进化生物学和遗传学结合起来,获得欧美的多项奖项

卢卡·卡瓦利·斯福扎(Luigi Luca Cavalli- Sforza,1922—)生于意大利的美国群体遗传学家,他创建的一系列数学方法论,查明了人类的起源和迁移时间

第二个力量是选择,尤其是自然选择

这个力量曾经使达尔文非常激动。这个力量在智人(Homo sapiens)的进化中是非常关键的角色,对其他动物的作用也很大,例如在寒冷的气候下,皮毛比较多的动物后代生存的机会就超过皮毛较少的后代。进化使得我们感知功能更强,文化更发达,也曾经使得我们直立起来、学会说话、大拇指与其他四指分开……没有选择,我们和500万年前的先祖没有什么差别。

第三个力量是遗传漂变(genetic drift)。

如果我们抛一枚硬币1 000次,正面和反面的机会是50∶50。但是我们抛10次,正面和反面的机会可能是50∶50或60∶40或70∶30。这是少量采样中的随机事件。假设人类遗传是这样的“事件”,一个比较小的人群中发生类似抛硬币的现象,下一代的变化从50%突然增大到70%,那么,仅仅几代之后,这个人群就会出现显著的改变。这种漂变,对一个小的人群的基因频率会产生巨大的影响。

这三种力量的综合,导致了今天的遗传形态令人眼花缭乱的巨大阵列——难以计数的多样性和多态性。仅仅认识到生物化学层次的多样性和基因的作用,还远远不能真正认识人类的多样性和人类的迁移。

继列文庭的第一个大型炸弹之后,现代遗传统计学的奠基人费希尔的两个学生——斯福扎和爱德华兹引爆了第二个大型炸弹,从而彻底否定了从血型研究人类遗传的错误道路。

斯福扎,一个数学天才,意大利的医学博士,通过研究细菌昆虫的进化给遗传研究带来了新的思路,使人类最后找到了亚当。列文庭是杜布赞斯基(Theodosius Dobzhansky)的学生,斯福扎的大学老师也是杜布赞斯基的支持者。这两个大型炸弹的制造者,都与当年著名的果蝇实验有关系。1950年代,著名的果蝇遗传学家特拉沃索(Buzzati Traverso,1913—1983)曾经用昆虫研究遗传。历史上,无论孟德尔的豌豆实验还是特拉沃索的果蝇实验,都太简单了,仅仅揭示了基因作用的可能存在。这种谁也没有亲眼看到的“基因”,后来又被复杂化了——统计学、概率论、生物地理学……都对遗传学和基因做出了过度的“贡献”。

斯福扎原来是一名医学院的学生,他后来离开医学,转向遗传研究。在果蝇变异和医学这两种似乎无关的背景知识下,斯福扎开始研究血型多态性(后来,这些研究被遗传学家称为“古典”多态性),希望搞清楚现代人类之间的关系。这项工作起始于1950年代,那时还是遗传学的先驱时代。与大部分遗传学家相同的是,斯福扎也采用迅速发展的生物化学技术分析基因变异。但是,与其他人不同的是,斯福扎运用了数学,尤其是统计学——最为实事求是的一个数学分支。变幻缤纷的多态性产生的杂乱无章的数据,如同浩瀚的数据大海,必须有一套条理清晰、前后连贯的理论框架才能厘清头绪。这里,只能求助于统计学。

基因的变异,乍看起来是随机的、互不联系的,许多组类似的变异堆积在一起。如何才能从这些杂乱无章甚至乱作一团的数据中找出多样性产生的机制?当时,人类已经研究积累了几十年的丰富的个体信息数据(例如不同血型等)。现在,生物遗传学必须与数学,更确切地说与统计学结合了。费希尔及其学生们,从此开始成为遗传科学中的主角,最后大型计算系统被引进了遗传科学。

一开始,斯福扎和爱德华兹一起进行了综合数学分析。当时还没有电脑,他俩用早期的打孔卡计算机完成了这项工作量巨大的综合分析工程。通过对多个遗传系统数据的分析计算,过去那些貌似有道理的考古学人类学的研究结果都被排除了。

大部分生物学家无可奈何地把大自然多样性的根本原因归结为自然选择,人类的多样性当然也不例外。过去人们认为,人的外形到鼻子的形状都是“正常”的选择结果,只有一些遗传疾病是“不正常”的。1950年代,在美国工作的一个日本科学家木村资生(Motoo Kimura,1924—1994)进行了一些遗传学计算,他采用的方法是处理气体弥散(扩散)的数学。木村资生发现,人群中的遗传多态性有时源自漂变。他还得出了更加令人兴奋的结论:遗传基因的变化频率是一种可以预测的速率。进化选择的研究难点正是速率。进化变异发生的速率,完全取决于选择的强度——如果遗传变异体是非常适应的,就会加快变异发生的频率。但是,我们不可能通过实验测量选择强度,所以谁也无法预测变化速率。在抛硬币的例子里,如果硬币正面是一个基因变异,硬币反面是另一个基因变异,速率从50%加速到70%的“一代人”理应非常强烈地选择正面。但是,事实并非如此。正面增加到70%的“一代人”如果不被接受,就毫无意义。

罗纳德·费希尔(Sir Ronald Fisher,1890—1962),现代遗传学的奠基人,英国统计学家、生物学家、遗传学家、优生学家。他是推断统计学的创始人,群体遗传学的创始人之一,被誉为“达尔文之后最伟大的生物学家”,一生获得荣誉无数,1952年被封为爵士

木村资生认为,大部分多态性也是这样。它们有效地规避了选择,在进化中呈现“中性”——不受整体采样误差的漂变的影响。这个观点在生物学家中引发出一场大辩论。木村资生和他的支持者们认为,几乎所有的遗传变异都与自然选择无关,但是更多的生物学家继续支持达尔文的选择理论。

这种“中性进化”的新观念,解决了曾经在血型分类多样性研究中困扰几乎所有人的一个巨大难题——越算越多、累积增加的海量数据。人类找到了一个新途径,基因的研究出现了转机。

在论述这条新的道路之前,我们需要首先回顾和感谢一位中世纪的智者。

奥卡姆的威廉(William of Ockham)是一个奇才,他刻板地逐字诠释亚里士多德的格言:上帝和大自然绝对不做任何多余的事,总是付出最少的努力。这位被称为“奥卡姆剃刀”的学者抓住一切机会与别人辩论,解释他的诠释。他说过一句著名的拉丁语格言:

除非必要,不做多元的假设。

Pluralitas non est ponenda sine necessitate(拉丁语)(www.daowen.com)

Entities should not be multiplied beyond necessity(英语

这是对宇宙的一种独特而冷静的哲学诠释,一种简约的观念。

在现实世界里,如果每一个事件的发生都有特定的概率,多个事件具备多种不同概率的话,复杂的事情并非不大可能是简单的—这就打开了通过易于理解的各个部分,进而全面了解复杂的整个世界的大门,虽然喜欢简单有时似乎有些荒谬。比如说,我们要从迈阿密飞到纽约,但是我们想途经香港,这是难以置信的荒谬。虽然这种旅程安排极其荒谬,但是我们探索混沌无知的科学世界时,我们的出发点经常出现荒谬的安排,不仅并非不可能,而且可能性很大。

我们怎么知道大自然总是选择最简约的途径?

我们怎么能够相信“简化即是自然”的格言?

总而言之,大自然喜欢简单甚于喜欢复杂,尤其当事物是变化的。例如,一块石头从悬崖落下来,将在重力的作用下直接从高处下降到低处,仅此而已,不会途中转道香港去喝茶。这样一来,如果我们承认大自然变化的趋势总是选择从A点到B点的最短路径,那么,我们就有了一个可以推断出过去的理论。

这是一场飞跃。人们终于认识到:我们只要观察现在的人,就可以发现过去发生的事情。

奥卡姆的威廉(William of Ockham,1288—1349),生于奥卡姆(Ockham),英国的修士和学术型哲学家,中世纪最著名的演说家和辩论家之一。他提倡哲学和科学的简约理论

从效果上看,简约理论为我们提供了一个哲学的时间机器,使我们得以返回早已不复存在的时代,四处探索和欣赏。这个机理,令人陶醉。其实,达尔文也是这个理论的一个懵懵懂懂的早期附和者。赫胥黎(Huxley)曾经批评达尔文本人对于自己的信仰也是稀里糊涂的,他说:“natura non facit saltum(拉丁语:大自然不会产生飞跃)。”

1964年,第一次将这种简约原理有条有理地运用于人类分类的科学家,正是斯福扎和爱德华兹。他们两个人在20多年的合作研究中,树立了两个里程碑式的假设,这两个假设后来都用在了人类遗传多样性的研究上。

第一个假设:遗传的多态性是可预测的(正如日本的木村资生提出的),亦即它们是中性的,频率的任何差异都来自漂变。

第二个假设:人群之间的正确关系必定遵从Ockham规则(奥卡姆剃刀),亦即导致大量数据产生必需的变异的步数,必须最小化才能找出答案。

从这两个假设出发,他们创建出所谓的“最小化进化”方法,然后用这种方法推导出人类群体的第一个谱系树(family tree)。这个树转化自一套图表,不同的人群与图表的某一部分关联,基因频率越接近,图表中的位置也越接近。

斯福扎和爱德华兹检测了世界各地的15个人群血型频率,用电脑分析了频率检测结果——非洲人之间的差异最大,欧洲人和亚洲人之间频率比较集中。这是人类进化历史中的一个激动人心的清晰证据。斯福扎说,这个分析“只是找到一些感觉”(made some kind of sense)。此外,这个分析结果反映出基因频率的相似性:随着时间的推移,频率呈现有规律的变化。

欧洲各个人群之间的接近程度,远远超过欧洲人与非洲人之间的接近程度,这意味着欧洲人离开非洲的时间,远远早于欧洲人自己开始多样性变化的时间。

斯福扎和爱德华兹还研究出以基因频率为基础的许多种分析人群关系的方法,但是,他们始终广泛运用简约(Parsimony)的原则。700年前的哲学家奥卡姆的思想,指导现代的人类研究走上了一条新的道路。这种全新的人类分析方法,甚至可能计算出人类分离的时间。分离也可称为分叉,即不同的族群或谱系分开的点位(出现永久性突变)。这些分离点或曰分叉点的时间间距是一种生物钟,可以反向推算出人类的旅程。

沃尔特·伯德默爵士(Sir Walter Bodmer,1936—),德国出生的英国人类遗传学家,在剑桥大学成为罗纳德·费希尔爵士的学生。他的父亲是外科医生,他的哥哥也是遗传学家。由于在人类遗传统计学等方面的贡献,1986年被封为爵士。他是“人类基因组工程”最早的倡议者之一,现在牛津大学主持一个癌症研究中心,借助统计学研究癌症

1971年,斯福扎和“遗传学之父”费希尔的另一个学生沃尔特·伯德默(Walter Bodmer)合作完成了一些新的估算:

4.1万年前:非洲人和东亚人分离。

3.3万年前:非洲人和欧洲人分离。

2.1万年前:欧洲人和东亚人分离。

但是,他们无法确定自己的假设是否真实。此外,他们仍然没有对人类的起源给出一个清晰明确的答案。现在,需要一种新的数据了。

基因图谱工程绘制出的早期人类迁移图

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