分子生物學(xué)將如何重構(gòu)物種的演化規(guī)律？

張國(guó)捷 | 浙江大學(xué)求是講席教授

如何了解物種的演化規(guī)律？

在過去，大部分不做演化生物學(xué)的人，會(huì)覺得做演化生物學(xué)，只是在了解歷史，重現(xiàn)歷史。當(dāng)然演化生物學(xué)，自達(dá)爾文或華萊士提出自然選擇學(xué)說之后，我們回答的實(shí)際上是有兩個(gè)大方向，第一個(gè)是所謂的共同祖先理論，就是構(gòu)建生命之樹這樣的很重要的工作。任何的比較基因組研究或者比較生物學(xué)研究，跨物種研究都需要在正確的生命之樹的框架底下來開展。

阿爾弗雷德·拉塞爾·華萊士

查爾斯·達(dá)爾文

基于16S 核糖體RNA序列分析重建出的地球生命演化樹

演化生物學(xué)還有一個(gè)很重要的課題，是研究背后的演化規(guī)律。所謂的規(guī)律，主要是用來了解生命演化的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，以及外在環(huán)境之間如何協(xié)同調(diào)控，如何影響個(gè)體的差異，以及物種演化的過程，這里面有很多經(jīng)典的問題需要去解答。

生命之樹研究，不光只是了解人類是怎樣演化出現(xiàn)的，人類跟類人猿或者是其他靈長(zhǎng)類之間的關(guān)系，我們也要了解全世界各種各樣的生物和生態(tài)系統(tǒng)里所有的物種，它們是怎么樣演化過來的。

了解生命演化規(guī)律的技術(shù)有哪些？

包括各種組學(xué)的數(shù)據(jù)、各種組學(xué)的手段，以及現(xiàn)在看到的任何分子生物學(xué)的數(shù)據(jù)，或者是技術(shù)，可能都是在我們領(lǐng)域里面能做一些形態(tài)學(xué)研究的。

那就有更豐富的手段，用核磁共振、ECT掃描或者是利用仿生的機(jī)器人這樣的重構(gòu)，來重現(xiàn)物種的組成。各種各樣的動(dòng)物學(xué)手段或者是工科、物理、化學(xué)的很多手段，其實(shí)都用來回答相關(guān)的研究。

分子生物學(xué)解決了哪些進(jìn)化問題？

本身理論的一些相關(guān)探討，是一直在不斷地變化，特別是新的技術(shù)、新的學(xué)科出現(xiàn)之后不斷的融合。

以我們的研究為例，我們其實(shí)感興趣并且很重要的幾個(gè)方面，第一個(gè)是物種起源的問題，達(dá)爾文提出共同祖先的理論，基本內(nèi)容就是共同祖先的群體，可能分成兩個(gè)小群體，逐漸走向不同的環(huán)境，分開之后，兩個(gè)群體逐漸的產(chǎn)生基因之間的差異，最后由于缺乏基因交流，不斷的積累變異之后，就形成了兩個(gè)不同的物種。

這樣基本的模型，是對(duì)于我們理解物種的形成非常重要，基于這樣的模型，我們希望能夠理解祖先變成兩個(gè)物種，往深一點(diǎn)，兩個(gè)物種的共同祖先跟另外的物種，可能在更早的時(shí)間分化，所以逐漸的搭建起來生命之樹，我們可以把它簡(jiǎn)單理解成描述歷史事件發(fā)生的地圖。這可以告訴我們，物種是什么時(shí)候開始出現(xiàn)的？它的最近緣的物種是什么？它們的共同祖先在哪里？有這樣基本的信息之后，才能夠有的放矢的去做一些跨物種的比較研究。

自從達(dá)爾文提出共同祖先理論之后，構(gòu)建生命之樹變成了很重要的科學(xué)問題，包括人類在內(nèi)，我們會(huì)問這么一個(gè)問題，人是從哪里來的？

在過去，基于對(duì)形態(tài)學(xué)的研究，它構(gòu)建出來的物種關(guān)系樹，不見得是準(zhǔn)確的。因?yàn)槲覀冎赖男螒B(tài)是演化的結(jié)果，那過程中，有可能不同的物種，在相同的生存環(huán)境里面，由于趨同的演化，導(dǎo)致相同的性狀出現(xiàn)，如果說你純粹用形態(tài)的構(gòu)建，可能會(huì)把這兩個(gè)物種聚在一塊，認(rèn)為這兩個(gè)可能有共同的祖先，實(shí)際上它是獨(dú)立形成了相同的性狀。

分子生物學(xué)出現(xiàn)之后，就會(huì)看到分子樹跟形態(tài)樹之間有很大的沖突，這種沖突，在很多個(gè)物種類群里面都出現(xiàn)過，哺乳動(dòng)物，包括人類在內(nèi)。到底黑猩猩跟大猩猩哪個(gè)是近緣的物種？

19世紀(jì)中期，赫胥黎提出人跟大猩猩或者黑猩猩是我們最近緣的物種，直到分子生物學(xué)的手段，血清蛋白這種技術(shù)出來后才確認(rèn)，黑猩猩是人類最近緣的物種，大猩猩則更遠(yuǎn)一些。

話題的爭(zhēng)論直到基因組學(xué)出來之后，利用全基因組的數(shù)據(jù)重構(gòu)了它們之間的關(guān)系，才發(fā)現(xiàn)確實(shí)跟黑猩猩是最近的。但是，人的基因組上面確實(shí)有15%的區(qū)域跟大猩猩更近。

基因演化的過程是非常復(fù)雜的，不見得所有的基因都遵從物種的演化和關(guān)系，因?yàn)檫@是群體遺傳學(xué)的問題，就是宿主理論。我們可以推算出來，在群體比較大的情況下祖先有多大性能，它有可能是隨機(jī)的分選到后續(xù)產(chǎn)生的物種里面，由于遺傳漂變，使得有些物種丟失，有些物種保留下來，最后基因型所構(gòu)建出來進(jìn)化樹，實(shí)際上跟物種樹可能是不一樣的。

當(dāng)然還有一些復(fù)雜的現(xiàn)象，物種形成之后，它可能會(huì)跟另外物種存在雜交的現(xiàn)象，比如說我們熟知的現(xiàn)代人類，跟尼安德特人或者是丹尼索瓦人，就存在這樣的雜交現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在很多個(gè)物種類群里面都存在，在過去利用分子生物學(xué)的手段，在理解物種的起源過程中提供了非常大的幫助。

除了構(gòu)建生命之樹之外，還要回答物種形成后，它如何適應(yīng)不同的環(huán)境，比如說北極熊如何適應(yīng)冰冷的環(huán)境，特殊的極端的環(huán)境相對(duì)于物種的生存有極大的脅迫力。但是，很多物種實(shí)際上是能夠適應(yīng)不同的生存環(huán)境的，那就給我們提供很好的材料來理解生物基因產(chǎn)生的功能，如何適應(yīng)這種環(huán)境，或者會(huì)產(chǎn)生新的性狀，這些是理解物種不同生存環(huán)境的適應(yīng)能力，為我們的尋找基因型以及表型之間的關(guān)聯(lián)很好的手段。

鳥類基因組有哪些有趣的發(fā)現(xiàn)？

我們的目標(biāo)當(dāng)然是希望能夠盡量全的去解讀所有的鳥類的基因組，收集它的表型以及生態(tài)學(xué)的信息之后，能夠給出完整的信息，得知鳥類的演化的歷史生物多樣性的基礎(chǔ)分子機(jī)制是什么？顯然我們不可能說隨便有什么樣的樣品，我們就測(cè)什么樣的基因組，是根據(jù)所謂物種類群，劃分界、門、綱、目、科、屬、種，鳥它是綱。

我們從目、科、屬、種四個(gè)階段逐漸開展的，2014年我們已經(jīng)完成了目級(jí)別項(xiàng)的工作，2020年我們發(fā)布的內(nèi)容，包括現(xiàn)在的工作，是一系列相關(guān)的成果。

它屬于目級(jí)別或者科級(jí)別的工作，當(dāng)然我們是在鳥類目或者科里面挑選代表性的物種，以這些物種來作為目類群的代表物種，開展相關(guān)的比較的研究。在前面階段，圍繞的是構(gòu)建生命之樹，也就是來回答鳥類輻射性演化的過程，是哪些類群先出現(xiàn)的？哪些類群是后出現(xiàn)的？那這樣的先后順序，不同物種之間分類的地位，以及不同物種之間的親緣關(guān)系，在目級(jí)別跟科級(jí)別分別構(gòu)出來目級(jí)別的樹、科級(jí)別的樹，鳥類有在不同的學(xué)科里，有很多廣泛的應(yīng)用。

包括生態(tài)學(xué)里用鳥類做研究模型，演化生物學(xué)更不用講，研究各種各樣的性狀，在生物地理學(xué)研究鳥類類群在全世界的分布，它分布的一些規(guī)律做病毒研究，比如禽流感它是如何來傳播的？那可以說在過去，生命之樹之間沖突是巨大的，所以用的樹，實(shí)際上是不同的研究用的不同的樹，得到了結(jié)論不一定是正確的。這次我們是給出了統(tǒng)一的全基因組數(shù)據(jù)，最多的數(shù)據(jù)來支持下的物種生命之樹，為它的可靠性提供了更好的科學(xué)的依據(jù)，也是最重要的成果。

當(dāng)然，我們?cè)谶^去有一系列相關(guān)工作，來理解比如鳥類的性狀是如何來演化的，鳥類的一些骨骼系統(tǒng)，所有的鳥類里面都沒有牙齒？那牙齒丟失的過程是什么？鳥類翅膀的發(fā)育、羽毛的發(fā)育以及一些生理生態(tài)特征。我們利用鳥類的基因組數(shù)據(jù)，我們可以來回推這些鳥類在過去100萬年里面，它們種群演化的歷史演化，它跟氣候關(guān)系是什么樣的？寒冷環(huán)境或者是氣候變暖的情況下，哪些物種更容易適應(yīng)的？能夠讓我們做一些相關(guān)的未來的預(yù)測(cè)，對(duì)保護(hù)生物學(xué)有很重要的借鑒的意義，來回答在當(dāng)下全球氣候變暖，哪些鳥類能夠更好地適應(yīng)？

那下一個(gè)階段，我們已經(jīng)完成了目級(jí)別、科級(jí)別的這兩個(gè)階段的工作，現(xiàn)在我們正在組織的是屬級(jí)別相關(guān)的工作，差不多有2000多個(gè)，我們已經(jīng)收集了差不多有4000個(gè)物種，那我們希望能夠進(jìn)一步的來構(gòu)建屬級(jí)別的生命之樹。

基因組如何揭示靈長(zhǎng)類動(dòng)物演化？

想要回答這個(gè)問題，就是人為何為人？這樣的命題的情況下，我們不光要了解人自身基因組或者是自身的功能，它是基于跟其他物種比較的研究上面得到的一些相關(guān)結(jié)論，比如我們?nèi)祟惔竽X的相對(duì)腦容量的變大，它是基于跟其他靈長(zhǎng)類的比較上面得到一些結(jié)論。

這個(gè)課題是四年或五年前組織的靈長(zhǎng)類基因組的研究，我們是聯(lián)合的國(guó)內(nèi)以及國(guó)外的好幾個(gè)課題組，差不多有50個(gè)靈長(zhǎng)類基因組相關(guān)的比較研究，來理解人類每個(gè)基因或者每個(gè)堿基漫長(zhǎng)的演化歷史，它在哪個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的。那同時(shí)我們也希望能夠借助項(xiàng)目來了解復(fù)雜性的性狀，比如說靈長(zhǎng)類特殊的就是社會(huì)組織，那這樣的社會(huì)結(jié)構(gòu)是如何來出現(xiàn)的，對(duì)大腦影響是怎樣的變化，是否會(huì)影響到社會(huì)形態(tài)或社會(huì)組織形式的出現(xiàn)，也希望能夠借助這樣數(shù)據(jù)，更好的去理解靈長(zhǎng)類分化的歷史。

剛才講的共同主祖先的理論，比如說生命之樹的說法，但過程中有很多的“人”，雖然跟黑猩猩也是最近緣的物種，但這里邊還有15%的區(qū)域是跟大猩猩更像的，出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象，是因?yàn)椴煌耆V系分選這種特殊現(xiàn)象導(dǎo)致的。同時(shí)物種之間，還存在跨物種雜交，雖然我們希望能夠通過這樣的數(shù)據(jù)，更充分的理解這兩種現(xiàn)象，對(duì)于靈長(zhǎng)類的類群或新物種的出現(xiàn)，會(huì)有什么樣的影響，我們除了構(gòu)建生命之樹，也發(fā)現(xiàn)在整個(gè)靈長(zhǎng)類的過程中，不完全譜系分選的影響非常廣泛。同時(shí)還有跨物種之間雜交，比如說課題組的合作，云南大學(xué)的于黎教授跟蘭州大學(xué)的課題組，他們就比較研究發(fā)現(xiàn)，川金絲猴種群跟黔金絲猴存在一些雜交的現(xiàn)象，雜交可能也會(huì)形成全新的物種。

雜交成種這樣的現(xiàn)象，在哺乳動(dòng)物里面是非常罕見的，特別是在靈長(zhǎng)類中，過去從來沒有報(bào)道過。

我們跟昆明動(dòng)物所吳冬冬課題組，也發(fā)現(xiàn)在獼猴屬里邊的一些類群，也是通過物種雜交的現(xiàn)象形成全新的物種類群，這些對(duì)于整個(gè)靈長(zhǎng)類演化或者是靈長(zhǎng)類新類型的出現(xiàn)，提供了很多新的見解。

分子生物學(xué)對(duì)人類疾病的幫助

是一種表型，只不過這種表型，對(duì)于個(gè)體來講，它可能不那么舒服或者說是不適應(yīng)，使得個(gè)體死亡，或者是出現(xiàn)各種癥狀，絕大部分可遺傳的，這種疾病都是由DNA突變引起的。另外一個(gè)說法是演化的動(dòng)力，我們從演化的視角來看，就是不存在這種突變，如果沒有突變，相當(dāng)于我們就沒有演化的動(dòng)力了，那一旦外在環(huán)境變化，我們就沒辦法儲(chǔ)備一些遺傳變異來應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境。對(duì)疾病來說，我們當(dāng)然希望突變控制在一定的范圍里面，不能太大。從個(gè)體的來看，突變當(dāng)然不要太多，因?yàn)楹芏嗤蛔兌际怯泻Φ摹?/p>

單從演化視角，就是不能讓突變速率變成0，所以突變率到底應(yīng)該是要維持到什么的范圍，不會(huì)產(chǎn)生太多的疾病。同時(shí)對(duì)于演化還是有這種驅(qū)動(dòng)力，那就是每個(gè)物種，會(huì)存在不同的突變率的范圍，那突變速率的范圍是由什么來決定的，是很重要的問題?；蛘呤菗Q個(gè)說法，就是為什么人相對(duì)黑猩猩或者其他的靈長(zhǎng)類，我們的突變速率是更小，比如小鼠的突變速率比大部分靈長(zhǎng)類的物種還要大，那又需要回答核心的問題，突變速率為什么會(huì)有不一樣？通過去年的研究工作，我們就揭示了突變率本身，我們是可以把它當(dāng)成性狀來研究，因?yàn)橥蛔兯俾试谌后w里面相對(duì)比較穩(wěn)定，所以我們可以把它當(dāng)成是物種特有的性狀。

我們發(fā)現(xiàn)決定或者影響突變速率的大小，很重要的因素是每個(gè)物種的繁殖效率，如果說產(chǎn)的后代越多,那它可能每年積累的突變速率相應(yīng)會(huì)更大。比如說壽命或者是我們的每一代的代時(shí)，也會(huì)對(duì)我們的突變速率有很大的影響。實(shí)際上這有很重要的啟示，為什么我們?nèi)祟愅蛔兯俾室S持到這樣的范圍里？實(shí)際上是提供了這樣的演化視角，有很多的疾病現(xiàn)象其實(shí)并不是人類特有的，過去有很多人是認(rèn)為人類特有的生理現(xiàn)象，其實(shí)在很多物種里面都存在。比如說最近的一些研究發(fā)現(xiàn)鯨魚、黑猩猩里面，都存在更年期這樣的效應(yīng)，也就是絕經(jīng)的現(xiàn)象。

這當(dāng)然是人類關(guān)心的問題，因?yàn)樯娴脚缘纳斫】档闹匾卣?，那從演化的視角來講，絕經(jīng)它意味著生殖能力的丟失或停止，在演化過程中，它雖然會(huì)有很多改變，就是說自然選擇，是沒辦法在你失去生殖能力之后進(jìn)行相關(guān)的選擇，所以我們會(huì)看到過了繁殖周期之后，各種各樣的疾病就會(huì)出現(xiàn)。那過程實(shí)際上是很重要的動(dòng)因，因?yàn)樽匀贿x擇它已經(jīng)失去了效率，能夠把這樣的變異給清除掉，這樣的研究領(lǐng)域，還是比較新的領(lǐng)域，相當(dāng)于把人類疾病或健康現(xiàn)象，是以性狀來研究相關(guān)的演化的規(guī)律。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

團(tuán)隊(duì)/作者：深究科學(xué)

審核：葉盛 北京航空航天大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院 教授

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司