分子钟
现在,当我们谈论分子时,我们有一些自“进化钟”那一章留下的未尽事宜需要处理。在那一章,我们看到树的年轮,还有各种放射性时钟,但是在了解分子遗传学的一些其他方面之前,我们推迟了考虑所谓的“分子钟”。现在到了考虑它的时候。请将本节当作“安静与缓慢的时间”一章的附录。
“分子钟”认为进化是真的,而且,它在地质时间中以足够恒定的速率运转,它可以用化石校准,而化石又可以被放射性时钟校准,故进化本身可被作为一个“时钟”。就好比,“蜡烛时钟”被认为是以某一固定且已知的速率燃烧的;“水钟”的水从水箱中排出的速率是可以被校准的;老式时钟的钟摆被认为是以固定速率摆动的;同样,“分子钟”的原理认定了进化的某些方面是以固定速率运转的。该固定速率,可以被记录良好的(通过放射性确定年代)部分进化档案来进行校准。一旦校准,分子时钟就可应用于研究进化的其他方面,即那些没有良好化石记录的方面。例如,它可以应用于不具备硬骨骼或很少变成化石的动物。
这是一个好主意!不过,我们凭什么可以希望找到以恒定速率进行的进化过程呢?事实上,很多证据表明进化速率是高度变化的。早在现代分子生物学时代之前,霍尔丹就提出以“达尔文”作为进化速率的度量单位。假设,在进化的时间里,动物的一些可测量的性状始终朝同一方向变化。例如,假设平均腿长一直在增长。如果在一个100万年的周期,腿长以一个e的倍数倍增[96](e=2.718…,选择这个数字是为了计算方便,这里我们无须深入讨论),这个进化性改变的速率就被称为“1达尔文”。霍尔丹自己评估马的进化速率约为40 毫达尔文,而他提出在人工选择下的家养动物的进化速率应以“千达尔文”来衡量。如第五章所述,若孔雀鱼迁入没有其捕食者的溪水中,它的进化速率估计为45千达尔文。进化的“活化石”,如海豆芽(见第五章末)的进化速率很可能要以“微达尔文”来衡量。这回你明白了:你能够看见和测量的事物(如腿和嘴)的进化速率,都是非常多变的。
如果进化的速率如此多变,那么我们怎么能指望将“进化”作为时钟呢?这就需要分子遗传学前来“救驾”。初看之下,分子遗传学没有清楚地展现出它是如何做到这一点的。当像腿长这样的可测量性状进化时,我们看到了一个内在遗传变化的外在、可见的表现形式。那么,为什么分子水平上的变化速率“提供”了一个良好的时钟,而腿或翅膀的进化速率则不是呢?如果腿和嘴的进化改变的速率范围为“微达尔文”到“千达尔文”,为什么还可以将分子作为可靠的时钟呢?答案是,通过外在、可见的进化形态(如胳膊和腿)显示出来的基因变化,是非常小的冰山一角,并且是受到各种自然选择严重影响的一角。因为在分子水平上的基因变化大都是“中性”的,所以我们可认为它们进行的速率不受实用性的支配,甚至任何一个基因变化的速率都几乎都是恒定不变的。一个中性的基因变化,对动物的生存没有影响,而这对于一个时钟来说,则是有用的凭据。这是因为影响生存的基因(无论是有利还是有害),都将被认为进化的速率已发生了变化。
分子进化的中性学说由著名的日本遗传学家木村资生(Motoo Kimura)率先提出时曾备受争议,但它的一些版本现在已被广泛接受,这里将不论述其细节性证据,在本书中,我将接受这一学说。你大可放心,因为我作为“大适应主义者”(据称这类学者痴迷地认为自然选择是主要的,甚至是唯一的进化推动力)是名声在外的,如果连我都支持中性学说,那么它就不可能被许多其他的生物学家反对![97]
中性突变可以很容易地通过分子遗传学技术测量,但它不受自然选择的影响——无论是正面还是负面的影响。“假基因”之所以是中性的,其中有着某种原因。它们曾经进行一些有用的工作,但现在已经置身事外,不再被转录或被翻译了。就动物的福祉而言,假基因不存在也没有关系。但对科学家而言,它们的存在真是太好了,它们正是构成一个进化时钟所不可或缺的要素。假基因只是胚胎发育中从不被翻译的基因中的一种。科学家在构建分子钟时,他们也钟爱其他种类不被翻译的基因,但对此我不详述。假基因的用途在于,它使创世论者感到尴尬。它甚至使创世论者绞尽脑汁地去编造一个“令人信服”的理由,来说明一个聪明的设计师为什么竟然制造了一个假基因——一个完全不干事儿的基因,并且,它方方面面都表现为一个旧版的、曾发挥某种作用的基因,除非这个设计师是故意要愚弄我们。
抛开假基因不论,还有一个值得注意的事实:鉴于基因组的大部分作用甚微,它们其实是可以不存在的(就人类基因组来说,95%的作用甚微)。中性学说也适用于余下的5%的基因(那些被读取和使用的基因)中的许多基因。它甚至适用于攸关生存的基因。这里我必须说得明确一些。我们并不是说一个适用中性理论的基因对人体没有影响。我们要说的是,这一个基因的突变版和其未突变版作用完全相同。无论基因本身可能是重要的或不重要的,突变版和未突变版的作用都是一样的。假基因本身可以被恰当地描述为中性,但是我们现在谈论的仅仅是可以被严格描述为中性的“突变”(即基因的改变),而不是基因本身。
各种原因均可导致中性突变。DNA密码是一种“简并编码”(degenerate code)。这是一种技术性术语,是指一些代码组成的“词”恰好是其他代码的同义词[98]。当一个基因突变为它的一个同义基因时,你可能根本不会多此一举地称之为突变。的确,就它对身体的影响而言,它并不是一个突变。基于同样的原因,从自然选择的角度思考,它也根本不是一个突变。但对于分子遗传学家来说,它是一个突变,因为他们可以通过自己的方法看到这一变化。就好比我在写一个单词时改变了它的字体,把袋鼠写成了袋鼠。但你仍然可以读出这个词,它仍然意味着同一种澳大利亚跳跃动物。从一种字体变为另一种字体是看得出来的,但这一变化与单词的含义无关。
然而,并非所有“中性”突变都是这般地“中性”。有时新基因会被翻译成一个不同的蛋白质,但新蛋白质的“活性位点”(还记得我们在第八章谈到的“精心塑造”的“凹痕”吧)仍然和旧蛋白质的一样。因此,真真正正地来讲,这对身体的胚胎发育没有影响。就对身体的影响而言,该基因未突变和突变的形式仍然是同义的。也有可能一些突变真的改变了身体的形态(虽然像我这样的“极端达尔文主义者”倾向于反对这个观点),但这种改变方式(无论是采取前者还是后者)未对生存造成影响。
现在,总结一下中性理论——说一个基因或突变是“中性”的,不一定意味着该基因本身是无用的。它可能对动物的生存至关重要。这其中的含义是:一个基因(对生存可能重要也可能不重要)的突变形式和未突变形式就对生存的作用而言(这点可能是非常重要的)都是相同的。如所发生的那样,我们说大多数突变是中性的,这大概是符合事实的。自然选择无法检测到它们,但分子遗传学家却检测得到,这一点对于一个进化时钟来说,是一个理想的组件。
所有这些都不会贬低“进化冰山”上至关重要的一角——少数并非中性的突变。在进化改良过程中,正是它们经受了正向或者负向的选择。它们,就是其影响被我们实际看到的基因(自然选择也“看”到了)。正是对它们的选择,给我们造成了“生物是设计的”这一惊人错觉。但是,冰山余下的部分——中性突变,仍是多数,而这些是当我们谈论分子钟时应该考虑的内容。
随着地质时间的推移,基因组受到“突变”如雨一般的冲刷作用。基因组中产生的一小部分突变的确与生存相关,自然选择很快摒除了坏基因,选择了好基因。另一方面,中性突变只是简单地积累,没有受到惩罚,也未引人注意——除了分子遗传学家。现在我们需要一个新的技术性术语:“固定”(fixation)。一个新的突变——如果真是新突变,它在基因库中的频率会很低。如果你在100万年后再次查看基因库,可能这个突变的频率将会提高到100%或接近100%。如果发生这种情况,就是说该突变已“趋于固定”,我们就不应该再将它视为一个突变了,它已经成为一种常态。突变要趋于固定,明显的方式是获得自然选择的青睐。但还有另一种方式——它可以由机会“固定”。就像一个曾经令人引以为傲的姓氏,因为缺乏男性继承人而消失。所以,我们正在谈论的突变的另一种可选版本,可能恰好就从基因库中消失了。突变本身可能会在基因库中逐渐频繁,就像“史密斯”(Smith)通过同样的好运气而成了英国最常见的姓。当然,如果基因由于一个好的原因(即自然选择)而趋于固定,那就更加有趣了,但考虑到生物世代的数量足够庞大,基因也可以由于机会而趋向固定。地质时间是浩瀚的,足以使中性突变以一个可预见的速率趋于固定。尽管突变趋于固定的速率各不相同,但特定的基因具有特有的速率,而且大多数突变是中性的,正是这些使分子钟成为可能。
“固定”对于分子钟来说至关重要,因为“固定的”基因就是当我们比较两个现代动物,试图估计它们的祖先在多久以前分道扬镳时,所观察的基因。“固定的基因”塑造了一个物种的特征。它们在基因库中并不具有普遍性。我们可以比较两个物种的各自已经固定的基因,来估计这两个物种是在多久以前才发生了分化。我不愿继续深入讨论其中复杂的内容,因为我和王彦(Yan Wang)在“天鹅绒虫故事尾声”(The Epilogue to the Velvet Worm’s Tale)里已充分论述过。在各种前提下,并伴随各种因素的校正,分子钟得以运转。
正如原子钟们滴答运转的速率极其多变——它们半衰期的范围从不到一秒到上百亿年,不同的基因也提供了量程极其广泛的分子钟,它们可以测定的进化变化的时间范围从100万年到10亿年不等(包括居中的各种时间长度)。正如每个放射性同位素都有其特定的半衰期一样,每个基因也都有一个特定的周转率——一个新突变通常由于随机机会而趋于固定的速率。组蛋白基因,它特定地以每10亿年一次突变的速率而发生周转;血纤维蛋白肽基因的周转率则比它快1 000倍,其新突变被固定的周转率为每100万年一次。细胞色素C和血红蛋白基因家族周转率居中,其基因固定时间要以数百万到数千万年的尺度进行衡量。
不论原子钟还是分子钟,都像摆钟或手表那样,以一种规律的方式敲打着钟点。它们的嘀嗒声(如果你能听到的话),听起来就像一个盖革计数器,原子钟就是那样,因为盖革计数器正是你用来听原子钟声音的仪器。盖革计数器并不像手表那样规则地嘀嗒作响;它随机地敲打,它的“敲打声”表现为奇怪的、断断续续的爆裂。如果我们能在极其漫长的地质时间中听到“突变”和“固定”的声音的话,这就是它们听起来的样子。但是,无论是像盖革计数器那样断断续续地作响,还是像手表那样有节拍地嘀嗒作响,对于计时器来说,最重要的一点就是,它应该以一个已知的平均速率而嘀嗒运转。原子钟做到了这一点,分子钟也做到了这一点。
我以“分子钟认为进化是真实的”为前提来介绍分子钟,因此这不能作为进化事实的证据。但现在我们已经理解了分子钟是如何运作的,可以看出我曾经过于悲观了——假基因(与“有用基因”明显相似,但不被转录的“无用基因”)的存在,就是动植物将其历史撰写于它们全身的完美例证。但这是一个必须留到下一章讨论的主题。
[83]你听到“马是在北美进化的”可能会惊讶,因为众所周知,当欧洲侵略者首次来到美洲,他们在马背上的风姿令当地土著惊叹。马的大部分进化确实发生在美洲。然后在绝迹于美洲之前,马在很短的时间里(依据地质标准)传播到世界其他地方。马本是美洲动物,却是被人工重新引入美洲的。
[84]以西结·希伯来先知,《圣经·旧约·以西结书》的作者。——译者注
[85]下颌骨,哺乳动物骨架中一块单独的骨骼。爬行动物的下颚更复杂——因此,我很不情愿地从这本书里略去了它引人入胜的故事(要适可而止)。一个令人惊叹的进化技巧,令爬行动物那些小一些的下颌骨被收入哺乳动物的耳朵里,在那里它们构成了一个玲珑精致、可以从耳膜向内耳传递声音的桥梁。
[86]㺢㹢狓鹿,一种直到1901年才在非洲扎伊尔森林发现的大型哺乳动物,又称作欧卡皮鹿。它是长颈鹿科中的一种偶蹄动物,与长颈鹿有亲缘关系,是长颈鹿唯一尚未灭绝的近亲。——译者注
[87]较之gnu(角马),来源于荷兰语的单词wildebeest(角马)被日渐优先地使用。我一直尝试保留“gnu”,因为如果这个单词完全消失, 由佛兰德斯(Flanders)和斯万(Swann)创作的诙谐歌曲,将不再有意义。(“Gnor amIin the least/Like that dreadful hartebeest/Oh gno gno gno, I’magnu!”)
[88]我相信我的读者都知道《利未记》(Leviticus)的作者(们)就认为蝙蝠是鸟。在其第十一章,13~19行诗句,是一个可憎的鸟类的长名单,从鹰开始,以“鹳、苍鹭之类、麦鸡与蝙蝠”结束。这里有一个另外的问题:为什么在许多宗教中,总是要谴责某些可憎的动物?
[89]蛭形轮虫是一种无性繁殖的淡水无脊椎生物,身体长约0.1~1毫米。蛭形轮虫在大约4 000万年前进化到无性繁殖阶段,产下的卵全都是雌性后代。生命力顽强得让人惊奇,在生命的任何阶段,都能在无水环境下存活数年而不完全脱水,在重回水中之后又会复苏。除此之外,它还抗辐射。蛭形轮虫一直因为其通过无性繁殖而又没有被自然界淘汰灭绝而引起科学家的注意。美国2008年5月29日的一项最新研究成果显示,这种微生物的秘诀在于它会“偷取”其他生物有用的基因,合并到自己的遗传信息中为自己与后代所用。蛭形轮虫的发现,推翻了动物需要通过交配来创造生物多样性的理论。(http://baike.baidu.com/view/861322.htm)——译者注
[90]生物学家曾经引用植物血红蛋白作为一个植物可能从动物界借用了DNA的例子。豆科植物根上有自己的“根瘤”,里面“住着”细菌,捕捉大气中的氮,提供给植物。这就是为什么农民在其轮作中通常包括三叶草或紫云英之类的豆科作物。豆科作物为其他作物提供在土壤中宝贵的氮,尤其是如果犁地时把三叶草作物翻到土壤里。根瘤的颜色是一种偏红的颜色,因为它们含有一种“血红蛋白分子”的形式,与使我们的血液变得鲜红的输送氧的分子类似。制造血红蛋白的基因在植物基因组,而不是细菌的基因组里。血红蛋白对细菌很重要,它们需要氧气,因此,血红蛋白可以作为细菌和植物之间交易的一部分:细菌提供给植物有用的氮,而植物则提供给细菌一套“房子”,并通过血红蛋白运送有用的氧气。因为我们习惯于将血红蛋白与血液关联,自然就想知道一个制造它的基因是否在某种程度上是从动物的基因组“借用”的(或通过细菌传递的)。事实上,这是一个非常值得“借用”的主意。关于这个有吸引力的想法(终极输血假说),不幸的是——分子生物学的证据已经表明,血红蛋白是植物基因组古老的居民。它们不是借来的。它们从远古时代就已经存在在那里了。
[91]这是一个鲜为人知的事实:有些恐龙在骨盆处有巨大的神经节,非常大(至少和头部的大脑相比),几乎应被冠以“第二大脑”的称号。这为美国漫画作家伯特·莱斯顿·泰勒(Bert Leston Taylor,1866~1921)创作下列诙谐诗句提供了灵感:看哪!强大的恐龙,著名的史前传说,不仅因为它的能力和力量而且因为它智力的长度。你观察这些残骸,就会看到这种生物有两组大脑——一个在它的头部(通常部位),另一个在它的脊髓底部,因此他可以进行“本能地”推论,也可以进行“后天地”演绎。任何一个小问题都不能困扰它,它使它的身体两端都是头,也都是尾。它是如此的聪明,聪明又严肃,每个思想都填满了一个脊柱。如果一个大脑处于强大的压力,它就沿着脊柱释放一些思绪。如果有什么从它前端的头脑滑走,后面的头脑就会前来解救。而如果它发现犯了错,它还有随后补救的计策。由于在开口之前,它已思考了两遍,所以它从未后悔过。因此它不可能为权衡每一个问题的利弊,思考到血充脑壳。哦,凝望这个野兽楷模,至少已在一千万年前隐没。
[92]达西·汤普森肯定是有史以来最博学的科学家之一。不仅仅因为他写得一手有贵族气质的漂亮英文,也不仅仅因为他作为苏格兰最古老大学里的自然历史学教授,是一位知名的数学家和古典学者,还因为他的书附带了他认为无需翻译的各种语言的引文,包括拉丁语、希腊语、意大利语、德语、法语,甚至普罗旺斯语(最后一种他屈尊翻译成了——法文!)。时代变了多少!
[93]严格地说,如果你能将两个形状中的一个扭曲变形成另一个,且没有打破也没有任何新的添加,那么这两个形状就是同胚的。
[94]也许对于“所有生物”,我需要做一个提醒。在本章前面的部分,我们看到“不借用原则”对动物和植物几乎是完全适用的,但细菌却不是这样。细菌中有大量的基因共享现象(还有古菌,外表和细菌相似,但亲缘关系相对较远)。动物通过两性相交,实现种内DNA互换,然而细菌通过它们独有的“复制和粘贴”方式来向周围传递DNA,甚至是在较远缘的物种间亦是如此。尽管我高歌动植物组成的“一棵真正的生命树”是正确的,但当我们转而研究微生物时,整个情况变得棘手。正如我的同事、哲学家丹·丹尼特(Dan Dennett)把动物的生命树比作一棵枝繁叶茂的橡树,细菌的树则更像一棵榕树。就细菌而言,有一种说法:我们可以分别为每个基因编纂“一棵真正的谱系树”,不管该基因游移到哪一个具体种类的细菌体内。这是一个多么迷人的前景啊。达尔文不知会多么喜欢!
[95]现代人的学名。——译者注
[96]在我的工程师祖父的推荐下,我第一次阅读了西尔维纳斯·汤普森(Silvanus P.Thompson)的《轻松学习微积分》(Calculus Made Easy),当汤普森用斜体介绍e是“一个从未被遗忘的数字”时,我激动不已。使用e的重要性之一,不仅仅是说将2作为一个选择因子,而是你可以直接地通过数间自然对数相减来计算达尔文。其他科学家已经提出以“霍尔丹”作为进化速率的单位。
[97]我甚至被称为“极端达尔文主义者”,这是一种嘲弄,该词的创造者可能有意想要侮辱我,但我没有觉得这是什么侮辱。
[98]“简并”和“冗余”(redundant)不同(虽然这两个术语经常被混淆),后者是信息理论的术语。冗余代码是指相同的信息传递不止一次的代码(如“她是一个女性女人”三次传达出“她是女性”这个信息)。“冗余”被工程师用于防止传输错误。一个简并代码是指一个以上的“词”被用来代表同一件事。在基因密码中,例如,CUC和CUG都可翻译成“亮氨酸”:因此一种从CUG变成CUC的突变,没有造成任何影响。这就是“简并”。
本书评论