进化发育生物学

———发育,进化和遗传的再联合

张士璀

青岛海洋大学海洋生物工程系

《生命科学》 2000年第12卷第4期

摘要:

发育生物学和进化生物学，以及遗传学历史上曾一度是彼此不分的统一体，后来由于各自研究重点的不同和相应研究手段的独立发展彼此分道扬镳了。如今，由于分子遗传学研究手段的革新使得基因序列测定成为分析发育机理、区分物种和评估种间亲缘关系的常规手段，三者又在基因水平上再度统一起来了，并形成一门被称为进化发育生物学的新学科。

进化论与进化生物学的发展

作者:钟扬  来源:科学杂志  发布者:刘斌  类别:新闻扫描  日期: 2009-11-12 今日/总浏览: 4/898

自达尔文1859年发表《物种起源》（The  Origin  of  Species）一书以来，“进化”（evolution）已逐渐成为生物学文献中出现频率最高的词汇之一，进化生物学（evolutionary  biology）则成为当今生命科学中一个重要的前沿领域。
    纵观150年来，随着科学界对生物进化现象的认识不断深化，人们对达尔文进化论的理解也随之不断深入，进化论自身也走过了曲折的发展之路。除了像其他任何一种科学理论一样需要补充和修正外，进化论还经受了来自科学领域之外的一次又一次挑战。今天，分子水平的生物进化研究正在蓬勃兴起，人们对进化论的兴趣有增无减，同时也提出了更高的要求，即以进化论为核心的进化生物学研究不仅应能够解释各种复杂生命现象，重建生物的自然历史，而且还应具有一定的预测性和应用潜力。因而，藉纪念达尔文（C.  Darwin）诞辰200周年和《物种起源》出版150周年之际，回顾进化论与进化生物学的发展历程，将有助于我们全面了解该领域的科学理论与知识，并用于指导21世纪生命科学的研究。

进化论的科学本质

进化论从本质上改变了人们对地球生命现象的理解。进化论围绕生物多样性的起源与发展，引导人们探索各种生物之间的亲缘关系（或称进化谱系）。例如，作为地球生物的一员，人类究竟何时又是如何在地球上出现的？不同人种或不同人群之间关系如何？人类与其他生物（如细菌）有何种进化上的关联？如此等等，进化论为我们提供了科学的解释。
    在进化论中，具有有益性状的生物存在差异的繁殖优势被称为自然选择（natural  selection），因为是自然来“选择”提高生物生存与繁殖能力的性状。如果生物的突变性状降低其生存与繁殖能力的话，自然选择就会减少这些性状在生物群体中的扩散。人工选择也是一个类似的过程，但在这种情况下是人而不是自然环境使生物交配以选择理想的性状。最常见的莫过于通过人工选择来获得人们所需的家畜品系和园艺植物品种等。
    迄今为止，支持进化论的证据层出不穷，从中华龙鸟化石的发现到酵母实验进化的分析，不胜枚举[1]。近年来比较突出的例子有加拿大北部“大淡水鱼”化石的发现。科学家们根据进化理论和化石分析预测出浅水鱼类向陆地过渡阶段的大致时间，随后他们将目光投向加拿大北部努维特地区的埃尔斯米尔岛，那里有大约37  500万年前的沉积岩。通过四年的努力，科学家们终于从岩层中发掘出命名为“Tiktaalik”（因纽特人的语言中意为“大淡水鱼”）的生物化石，它既具有许多鱼类特征，又具有早期四足动物的典型特征，而它的鳍包含骨骼，可形成类似于有肢动物的肢体，用来移动和支撑躯体[2]。“大淡水鱼”的发现证实了科学家们基于进化论的预测。反过来，对于进化论预测的证实也提高了达尔文理论的可信度。的确，每一种科学理论本质上都要具备对尚未观察到的自然事件或现象作出预测的能力。
    另一个经典的例子是科学家们对特立尼达岛阿立波河中的虹鳉鱼进行的观察与实验。按照进化理论，不同时间尺度上的自然选择可能产生全然不同的进化效应。在仅仅几个时代的周期内，生物个体就有可能产生小规模的变异，可称之为微进化（microevolution）。科学家们发现，生活在阿立波河中的虹鳉鱼无论是其幼体还是成体均遭受较大鱼类的捕食，生活在河流上游小溪中的虹鳉鱼只有其幼体会被较小鱼类捕食，因而长期的进化过程导致该河流中的虹鳉鱼个体较小（更易于躲避捕食者），而溪流中的虹鳉鱼则个体较大（不易被较小的鱼类捕食）。科学家们将河流中的虹鳉鱼置于原来没有虹鳉鱼种群的溪流中，发现它们仅仅在20代后就进化出了溪流中虹鳉鱼的特性[3]。
    毋庸讳言，在科学上，我们不可能绝对肯定地证明某种解释是完美无缺的，或者是终结性的。然而，迄今为止，许多科学解释已经被人们反复检验，不断增添的新观察结果或新的实验分析很难对其作出重大改变。换言之，科学界已广泛接受这些解释，它们是以观察自然世界获得的证据为基础的。进化理论就是其中一个代表。从这一点出发，我们可以明确地将从科学上补充和完善进化论与从宗教上反对进化论的证据区分开来。

综合进化论

达尔文之后的进化论经过魏斯曼（A.  Weismann）等人的“过滤”，去除了拉马克（J.  B.  Lemarck）“获得性状遗传”等学说的影响，形成了“新达尔文主义”。然而，更为重要的修正来自于20世纪的遗传学革命以及多学科的综合作用。
    自孟德尔（G.  Mendel）遗传规律被重新发现之后，摩尔根（T.  H.  Morgan）等人对遗传突变进行了深入的研究，以“粒子遗传”替代了“融合遗传”的概念。费希尔（R.  A.  Fisher）、霍尔丹（J.  B.  S.  Haldane）和赖特（S.  G.  Wright）等人则相继发表了《自然选择的遗传理论》、《孟德尔群体中的进化》以及《进化的动力》等经典著作，创立了群体遗传学（population  genetics），将粒子遗传理论与生物统计分析紧密结合，认为生物群体中包含有大量的遗传变异，而进化的方向和速率则由自然选择来决定。目前常用的适合度（fitness）概念就是在群体遗传学以生物繁殖相对优势来定义适应的前提下建立的，它修正了达尔文进化论中“物竞天择，适者生存”的概念，代之以生物个体或基因型对后代或后代基因库的相对贡献，即统计学意义上的生物适应。1930年代后，杜布然斯基（T.  Dobzhansky）进一步将群体遗传学理论与实验生物学方法用于进化生物学研究，发表了《遗传学与物种起源》等著作，最终成为了该领域的集大成者。他从理论和实验上统一了达尔文自然选择学说和孟德尔遗传学，创立了综合进化论学派。其后，动物学家迈尔（E.  Mayr）、古生物学家辛普森（G.  G.  Simpson）以及植物学家斯特宾斯（G.  L.  Stebbins）等人相继从不同生物类群研究出发，阐述了生物进化的机制，发展和完善了现代综合进化论的理论框架，使其成为了当代进化理论的主流。
    值得一提的是，迈尔本人堪称20世纪综合进化论学派的一棵“常青树”。他在长达80年的跨世纪研究生涯中，除发表了有关动物进化方面的重要论著外，还特别厘清了达尔文进化论的逻辑架构，将其划为五个既可分割又有联系的部分，即物种可变理论、共同祖先理论、渐变理论，物种增殖理论以及自然选择理论。其中，自然选择理论最为重要。总之，迈尔杰出的生物学哲学思想为我们全面掌握综合进化理论提供了有效的途径[4]。

分子进化与分子系统学

20世纪分子生物学的快速发展极大地改变了进化生物学的格局。就在达尔文进化论诞生一百年之际，木村资生等提出了分子进化（molecular  evolution）学说[5]。该学说认为分子（基因）的进化过程与达尔文所描述的宏观进化过程不同，中性的遗传漂变可能比自然选择发挥更大的作用。随后，人们相继建立了基于群体遗传学的DNA与蛋白质序列进化模型及分析方法，既能定量描述和预测不同分子随时间变异的模式，也可以区分遗传和环境因子对基因水平变异的影响。更为重要的是，由于所有生命的蓝图都是用DNA（某些病毒中则用RNA）来书写的，因而人们可以通过比较DNA序列来研究它们的进化关系。这一学科领域被称为分子系统学（molecular  systematics）或分子系统发育学（molecular  phylogenetics），它为解决系统与进化生物学中的疑难问题提供了新的方法论工具，对生物分类学的发展也产生了至关重要的影响。
    最近五十年来，每当分子生物学出现一个新的概念或发展一项新的技术，进化生物学家都会千方百计地将之用于发展进化研究。同样，分子生物学家也开始从进化的途径来深入理解分子生物学以及发育生物学和免疫学等生命科学前沿领域。例如，分子生物学家现在常常构建进化树（evolutionary  tree）以寻找不同生物的种间（直系）同源基因和种内（并系）同源基因。总的来说，分子生物学与进化生物学的有机结合具有下述优点。
    （1）所有生物的DNA均由腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）这4种碱基组成，因而可以通过分子序列分析来阐明大尺度、跨门类的生物进化关系。目前，分子进化分析已表明，地球上所有的生命体来自大约四十亿年前的一个共同祖先[6]。换言之，如同达尔文进化论所推测的，所有有机体在进化历史上都是相互关联的。
    （2）DNA的进化演变或多或少是有规律的。人们已经建立与发展了许多描述分子序列间DNA或氨基酸置换的数学模型。相比之下，形态性状的进化就要复杂得多了，难以精确描述。
    （3）一个基因组是一种生物所有基因编码序列及非编码序列的总和。对分子系统学研究而言，基因组所包含的有用信息比形态性状要多得多，这将有助于提高进化统计推断的精确性。
    （4）在生物进化时间估计和速率比较方面，分子数据具有其他性状不可比拟的优势。目前，采用分子序列分析方法可以推测生物类群（物种）间的分歧（起源）时间并检测不同谱系间的进化速率是否存在显著差异。
    目前，分子进化研究通常是利用各种分子数据（主要是DNA序列和氨基酸序列），针对以下三个方面的问题进行统计分析。

进化式样

应用系统发育分析方法，可以重建物种或基因间的进化（系统发育）关系，结果则用进化树或进化网络的形式来表示。在解读系统发育树所蕴含的物种间关系时需要特别关注单系类群（monophyly），因为这种类群中的所有物种（或基因）具有一个共同的祖先。

进化速率

    分子进化研究与分子钟（molecular  clock）概念是分不开的。分子钟假说认为，氨基酸或核苷酸置换速率在进化过程中近似地保持恒定。如果这一假设成立，则我们可以用恒定的速率来估计生物类群间的分歧时间。然而，分子钟概念长期存有争议，焦点是其准确性和变异机制。近年来，人们在实际工作中常常使用在非严格分子钟假定条件下估计分歧时间的统计工具。

进化机制

    分子进化研究的首要问题是基因突变。由核苷酸置换、插入和（或）缺失、重组等引发的突变基因或DNA序列，可以通过群体水平的遗传漂变和（或）自然选择进行扩散并最终在物种中得以固定。用分子序列来确定生物特定的进化机制通常有两条途径。一方面，群体遗传学家对一个基因座上的不同等位基因进行测序并构建同一个物种内不同等位基因的进化树，这种多态等位基因的进化树可以判别不同进化机制的相对重要性，也可以为研究两个群体间的基因交流程度提供重要信息。另一方面，分子进化生物学家对所感兴趣的基因检测非同义置换（引起氨基酸改变的置换）和同义置换（不引起氨基酸改变的置换）的比率。若该比率大于1，则认为非同义置换是由达尔文正向选择（positive  selection）造成的；若比率等于1，则认为该基因处于中性进化；若比率小于1，表明存在负选择（淘汰选择）。大量研究表明，分子水平的达尔文选择对阐明遗传与环境因素在生物进化过程中的作用极为重要，而统计检测更是分子进化研究中不可或缺的工具。
    进入21世纪后，生命科学研究也进入了后基因组时代，诸如蛋白质组学、功能基因组学、药物基因组学以及系统生物学之类的交叉科学迅速成为生命科学的前沿领域，而后基因组时代的进化生物学研究也呈现出若干新的态势。
    进化基因组学无疑是基因组学中最为活跃的方向之一。由于测序技术的迅速发展与普及，人们已测定了大量生物物种（尤其是微生物）的全基因组序列。利用这些序列信息，辅以统计分析工具及计算机软件，可以重建生物类群间的系统发育关系或者进化历史，这将有助于人们解决生物进化研究中长期存疑的问题，深化我们对生物多样性起源与发展规律的认识。
    近年来，进化基因组分析方法的应用已极大地提高了分子进化研究的水准。例如，很长时间以来，围绕我们人类自己与进化上的近亲——黑猩猩之间的差异存在不少争论。人类基因组计划和其他基因组计划的实施为我们解决相关问题提供了新的证据。对全基因组信息的进化分析表明，人类与黑猩猩在全基因组序列上的差别并不大，但人类大脑发育相关基因的确存在着适应性进化。
    对一些较小基因组（如病毒）而言，进化分析方法更有其得天独厚的优势。以严重急性呼吸道综合征（severe  acute  respiratory  syndrome，SARS）致病原——SARS冠状病毒为例，科学家们在测定一批病毒样本的全基因组序列基础上，应用分子进化分析及生物信息学方法，鉴定出这是一种新的冠状病毒，它与已有的三组冠状病毒都不相似，在进化上是较为独立的一枝。进一步的分子进化分析还发现，SARS流行强度与其冠状病毒序列特征存在明显的关联。对达尔文正向选择的检测表明，SARS冠状病毒在SARS流行早期发生了适应性进化。该病毒在SARS流行的中期呈中性趋势，而在流行晚期则处于淘汰选择[7]。
      在生物医学研究中，进化生物学正在发挥着愈来愈重要的作用。以癌症研究为例，传统方法中很少涉及到进化分析思想。然而，在新兴学科方向——进化医学（evolutionary  medicine）中，可以通过分子水平的进化错配（evolutionary  mismatch）分析和达尔文正向选择作用来探索癌症形成和演变的机制，而免疫进化模型和模拟计算也将为癌症治疗提供新的思路[8]。可以预料，进化医学将为后基因组时代分子医学的基础与应用研究开启一扇新的窗口。

[1]  National  Academy  of  Sciences  and  Institute  of  Medicine.  Science，Evolution and  Creationism.  Washington,  D  C：National  Academy  Press，2008.
[2]  Daeschler  E  B，Shubin，  N  H，  Jenkins  F  A.，

  A  devonian  tetrapod-like  fish  and  the  evolution  of  the  tetrapod  body  plan.  Nature，2006，440：757.
[3]  Paxton  C  G  M.，  Isolation  and  the  development  of  shoaling  in  two  populations  of  the  guppy.  Journal  of  Fish  Biology，2005，49：514.
[4]  郝炘.  恩斯特·迈尔：20世纪的达尔文.  科学，2005（5）：51.
[5]  Kimura  M.，  Evolutionary  rate  at  the  molecular  level.  Nature，1968，217：624.
[6]  Hillis  D  M，Moritz  C，Mable  B  K.，  Molecular  systematics.  Sunderland，M  A：Sinauer  Associates，1996.
[7]  The  Chinese  SARS  Molecular  Epidemiology  Consortium.  Molecular  evolution  of  the  SARS  coronavirus  during  the  course  of  the  SARS  epidemic  in  China.  Science，2004，303：1666.
[8]  Goymer  P.  Natural  selection：the  evolution  of  cancer.  Nature，2008，454：1046.