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进化的新前沿

三岛——近期我们对分子机制理解的突破彻底改变了包括细胞生物学和发育生物学在内的众多生物学领域。上述新技术同时顺理成章地为进化生物学提供了有价值的见解,包括用证据支持了我在1973年提出的近乎于中性的分子进化理论。

就像典型的科学一样,进化生物学的每一项新发现提出的问题都和回答的一样多。事实上,我所研究的领域正在进入150年历史上活力最旺盛的时期之一。

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在查尔斯·达尔文的《物种起源》发表大约一个世纪后,科学家们认为类似自然选择之父所描述的程序管理着基因突变的整个过程。上述思想认为相比不具备优秀遗传变异的个体,那些具备优秀遗传变异的个体将更有可能生存、繁衍和传递他们的基因。

因此,有害的基因突变会迅速消亡。而有益的则会扩散到整个种群。进化改变,包括形态上的改变被视为日积月累和有益突变不断扩散的结果,种群的基因构成被认为接近同质化,只有极少数随机突变成为造成个体差异的主因。

脱氧核糖核酸(DNA)的发现挑战了上述观点的可信性。因为现在可以对个人基因组成进行分析,人们逐渐了解到种群中存在的基因变异比主流进化论所做的预测要多得多。事实上,类似特征的人可以有完全不同的基因序列。而这显然违背了所谓的自然选择法则。

我已故的同事木村本雄最先提出了支撑上述理论的证据,他假定存在对个体既非有利亦非有害的中性基因突变,因此也不受自然选择的管辖。木村研究了蛋白质进化率,并于1968年提出了分子进化的中性学说。他的理论认为导致分子水平进化改变的不是自然选择而是随机的遗传漂变,他的理论很好地解释了研究人员发现的遗传变异现象。

木村的理论简单而优雅,但将突变分为有益、中性和有害的不同类别在我看来似乎太简单了。我本人的研究表明具有微小正面或负面影响的边缘突变可能在推动进化改变时意义重大。近乎中性的分子进化论正是以这种假设为基础的。

二十一世纪基因组和群体遗传学的数据爆炸在开拓全新研究领域的同时支持了我在42年前提出的理论。比方说,动态折叠过程的发现大大拓宽了我们对蛋白质结构和功能的认识。人们认为上述过程提供了或许与近中性突变有关的蛋白质功能的灵活性。

确定驱动形态进化的基因表达的分子机制堪称进化生物学最有趣的挑战。上述研究领域试图更好地了解个体细胞内一系列复杂的系统过程。上述分子系统处在试验胚胎学的核心位置——DNA序列差异无法解释的基因功能改变是试验胚胎学的研究内容。

试验胚胎学的关键是要理解遗传组成、基因型和我们实际观察到的特征之间的联系。具体到人类等高等生物,细胞内由脱氧核糖核酸 、蛋白质和核糖核酸等组成的复合物大分子链(也叫核染色质)控制着试验胚胎学的进程。遗传和环境因素反过来又塑造了核染色质的运行方式,让人们很难把握它们的功能。但因为能够造成某些人类疾病,这些快速进化、充满变数的大分子链非常值得研究。

遗传组成和可观测性状间关系的另一要素是蛋白质有时是可以修改的。比方说,蛋白酶可以开启或关闭,并借此改变蛋白质的行为和功能。像其他形式的基因表达一样,貌似由一系列先天及环境因素的组合来驱动这一过程。

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看起来不能孤立地研究某项单一结构;选择、漂变和试验胚胎学等因素在非常基础的水平上共同作用、密不可分。我们对曾经认为的直接进化过程了解越深入,就越能发现它们的奇妙和复杂。

翻译:Xu Binbin