導讀

自人類基因組草圖公布后，基因測序技術不斷發(fā)展，不僅重構物種的演化規(guī)律，同時也讓我們了解人類生老病死的規(guī)律。

最近，浙江大學生命演化研究中心主任張國捷教授為我們講解分子生物學如何重構物種演化規(guī)律。

張國捷（浙江大學求是講席教授）｜嘉賓

深究科學｜來源

01

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的人，會覺得做演化生物學，只是在了解歷史，重現歷史。當然演化生物學，自達爾文或華萊士提出自然選擇學說之后，我們回答的實際上是有兩個大方向，第一個是所謂的共同祖先理論，就是構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

演化生物學還有一個很重要的課題，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在驅動力，以及外在環(huán)境之間如何協同調控，如何影響個體的差異，以及物種演化的過程，這里面有很多經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的，人類跟類人猿或者是其他靈長類之間的關系，我們也要了解全世界各種各樣的生物和生態(tài)系統里所有的物種，它們是怎么樣演化過來的。

02

了解生命演化規(guī)律的技術有哪些？

包括各種組學的數據、各種組學的手段，以及現在看到的任何分子生物學的數據，或者是技術，可能都是在我們領域里面能做一些形態(tài)學研究的。

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器人這樣的重構，來重現物種的組成。各種各樣的動物學手段或者是工科、物理、化學的很多手段，其實都用來回答相關的研究。

03

分子生物學解決了哪些進化問題？

本身理論的一些相關探討，是一直在不斷地變化，特別是新的技術、新的學科出現之后不斷的融合。

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

這樣基本的模型，是對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物種，往深一點，兩個物種的共同祖先跟另外的物種，可能在更早的時間分化，所以逐漸的搭建起來生命之樹，我們可以把它簡單理解成描述歷史事件發(fā)生的地圖。這可以告訴我們，物種是什么時候開始出現的？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。

自從達爾文提出共同祖先理論之后，構建生命之樹變成了很重要的科學問題，包括人類在內，我們會問這么一個問題，人是從哪里來的？

在過去，基于對形態(tài)學的研究，它構建出來的物種關系樹，不見得是準確的。因為我們知道的形態(tài)是演化的結果，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，導致相同的性狀出現，如果說你純粹用形態(tài)的構建，可能會把這兩個物種聚在一塊，認為這兩個可能有共同的祖先，實際上它是獨立形成了相同的性狀。

分子生物學出現之后，就會看到分子樹跟形態(tài)樹之間有很大的沖突，這種沖突，在很多個物種類群里面都出現過，哺乳動物，包括人類在內。到底黑猩猩跟大猩猩哪個是近緣的物種？19世紀中期，赫胥黎提出人跟大猩猩或者黑猩猩是我們最近緣的物種，直到分子生物學的手段，血清蛋白這種技術出來后才確認，黑猩猩是人類最近緣的物種，大猩猩則更遠一些。

話題的爭論直到基因組學出來之后，利用全基因組的數據重構了它們之間的關系，才發(fā)現確實跟黑猩猩是最近的。但是，人的基因組上面確實有15%的區(qū)域跟大猩猩更近。

基因演化的過程是非常復雜的，不見得所有的基因都遵從物種的演化和關系，因為這是群體遺傳學的問題，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，它有可能是隨機的分選到后續(xù)產生的物種里面，由于遺傳漂變，使得有些物種丟失，有些物種保留下來，最后基因型所構建出來進化樹，實際上跟物種樹可能是不一樣的。

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

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

04

鳥類基因組有哪些有趣的發(fā)現？

我們的目標當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分子機制是什么？顯然我們不可能說隨便有什么樣的樣品，我們就測什么樣的基因組，是根據所謂物種類群，劃分界、門、綱、目、科、屬、種，鳥它是綱。

我們從目、科、屬、種四個階段逐漸開展的，2014年我們已經完成了目級別項的工作，2020年我們發(fā)布的內容，包括現在的工作，是一系列相關的成果。

它屬于目級別或者科級別的工作，當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，開展相關的比較的研究。在前面階段，圍繞的是構建生命之樹，也就是來回答鳥類輻射性演化的過程，是哪些類群先出現的？哪些類群是后出現的？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系，在目級別跟科級別分別構出來目級別的樹、科級別的樹，鳥類有在不同的學科里，有很多廣泛的應用。

包括生態(tài)學里用鳥類做研究模型，演化生物學更不用講，研究各種各樣的性狀，在生物地理學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，實際上是不同的研究用的不同的樹，得到了結論不一定是正確的。這次我們是給出了統一的全基因組數據，最多的數據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的依據，也是最重要的成果。

當然，我們在過去有一系列相關工作，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，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據，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的？能夠讓我們做一些相關的未來的預測，對保護生物學有很重要的借鑒的意義，來回答在當下全球氣候變暖，哪些鳥類能夠更好地適應？

那下一個階段，我們已經完成了目級別、科級別的這兩個階段的工作，現在我們正在組織的是屬級別相關的工作，差不多有2000多個，我們已經收集了差不多有4000個物種，那我們希望能夠進一步的來構建屬級別的生命之樹。

05

基因組如何揭示靈長類動物演化？

想要回答這個問題，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結論，比如我們人類大腦的相對腦容量的變大，它是基于跟其他靈長類的比較上面得到一些結論。

這個課題是四年或五年前組織的靈長類基因組的研究，我們是聯合的國內以及國外的好幾個課題組，差不多有50個靈長類基因組相關的比較研究，來理解人類每個基因或者每個堿基漫長的演化歷史，它在哪個時間節(jié)點出現的。那同時我們也希望能夠借助項目來了解復雜性的性狀，比如說靈長類特殊的就是社會組織，那這樣的社會結構是如何來出現的，對大腦影響是怎樣的變化，是否會影響到社會形態(tài)或社會組織形式的出現，也希望能夠借助這樣數據，更好的去理解靈長類分化的歷史。

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，出現這個現象，是因為不完全譜系分選這種特殊現象導致的。同時物種之間，還存在跨物種雜交，雖然我們希望能夠通過這樣的數據，更充分的理解這兩種現象，對于靈長類的類群或新物種的出現，會有什么樣的影響，我們除了構建生命之樹，也發(fā)現在整個靈長類的過程中，不完全譜系分選的影響非常廣泛。同時還有跨物種之間雜交，比如說課題組的合作，云南大學的于黎教授跟蘭州大學的課題組，他們就比較研究發(fā)現，川金絲猴種群跟黔金絲猴存在一些雜交的現象，雜交可能也會形成全新的物種。

雜交成種這樣的現象，在哺乳動物里面是非常罕見的，特別是在靈長類中，過去從來沒有報道過。

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

06

分子生物學對人類疾病的幫助

疾病是一種表型，只不過這種表型，對于個體來講，它可能不那么舒服或者說是不適應，使得個體死亡，或者是出現各種癥狀，絕大部分可遺傳的，這種疾病都是由DNA突變引起的。另外一個說法是演化的動力，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，相當于我們就沒有演化的動力了，那一旦外在環(huán)境變化，我們就沒辦法儲備一些遺傳變異來應對不同的環(huán)境。對疾病來說，我們當然希望突變控制在一定的范圍里面，不能太大。從個體的來看，突變當然不要太多，因為很多突變都是有害的。

單從演化視角，就是不能讓突變速率變成0，所以突變率到底應該是要維持到什么的范圍，不會產生太多的疾病。同時對于演化還是有這種驅動力，那就是每個物種，會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個說法，就是為什么人相對黑猩猩或者其他的靈長類，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，我們是可以把它當成性狀來研究，因為突變速率在群體里面相對比較穩(wěn)定，所以我們可以把它當成是物種特有的性狀。

我們發(fā)現決定或者影響突變速率的大小，很重要的因素是每個物種的繁殖效率，如果說產的后代越多,那它可能每年積累的突變速率相應會更大。比如說壽命或者是我們的每一代的代時，也會對我們的突變速率有很大的影響。實際上這有很重要的啟示，為什么我們人類突變速率要維持到這樣的范圍里？實際上是提供了這樣的演化視角，有很多的疾病現象其實并不是人類特有的，過去有很多人是認為人類特有的生理現象，其實在很多物種里面都存在。比如說最近的一些研究發(fā)現鯨魚、黑猩猩里面，都存在更年期這樣的效應，也就是絕經的現象。

這當然是人類關心的問題，因為涉到女性的生理健康的重要特征，那從演化的視角來講，絕經它意味著生殖能力的丟失或停止，在演化過程中，它雖然會有很多改變，就是說自然選擇，是沒辦法在你失去生殖能力之后進行相關的選擇，所以我們會看到過了繁殖周期之后，各種各樣的疾病就會出現。那過程實際上是很重要的動因，因為自然選擇它已經失去了效率，能夠把這樣的變異給清除掉，這樣的研究領域，還是比較新的領域，相當于把人類疾病或健康現象，是以性狀來研究相關的演化的規(guī)律。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

團隊/作者：深究科學

審核：葉盛 北京航天航空大學 研究員

出品：中國科協科普部

監(jiān)制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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