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第42章 對自然選擇的挑戰:分子進化與中性選擇理論 (2)

而對於蛋白質不同區域進化速率不同這一說法,自然選擇派也有自己的理論,他們認爲這完全可以用自然選擇來解釋而不需要藉助於中性選擇學說。蛋白質非活性區域的突變並非是毫無意義的,那根本不是什麼中性突變,而是趨向最佳結果的一個過程。

木村提出中性選擇學說的基礎是蛋白質序列,後來隨著分子生物學的迅速發展,很多物種基因的DNA序列被測定了出來,這樣就可以在DNA水平來進一步驗證雙方理論的正確性。這場爭論的戰場就這樣悄悄發生了轉移。不過這裡面發生了一些小小的變化。

首先,如果以DNA爲分子鐘的話,卻是以代爲單位的,這與蛋白質爲分子鐘不同。也就是說,一代時間較長的物種,DNA分子鐘就跑得比較慢些。這兩種分子鐘不是同步的。

DNA序列與蛋白質序列還有一個重要的不同,所有的蛋白質序列基本都是有用的,只不過是對活性的影響大小不同而已。而DNA則不然,裡面存在大量不編碼蛋白質的序列,內含分子和假基因就是這樣一種序列,曾一度被生物界稱爲垃圾基因。現在已認爲這些基因也都有各自的功能,只不過不表現在蛋白質方面罷了。

既然不是所有的DNA序列都會被翻譯爲蛋白質序列,那麼,就算有一些DNA序列發生了突變,也不會影響到正常的蛋白質序列。所以,不編碼蛋白質的DNA不妨多突變一些,對生物的生理功能不會有致命的影響。而事實也正是這樣的。非編碼區的DNA序列有很豐富的多態性,也就是說這個序列也行,那個序列也好,大家都能混得下去。但那些編碼蛋白質的DNA序列就不能這樣隨便亂變了,搞不好把蛋白質序列編錯了,就會影響到正常的生理活動。實驗表明,編碼區的DNA序列是非常保守的,變化不是沒有,但很少,而且基本不影響翻譯後的蛋白質功能。

這樣一來,似乎兩種理論都有道理,即在非編碼區的DNA序列接受中性選擇,而編碼區的DNA序列則接受自然選擇。

然而,在基因水平上的更多研究也是支持中性選擇學說的。基因突變中有一種突變叫同義突變,這就是一種典型的中性突變。這涉及基因的遺傳密碼屬性,基因中的三個鹼基可以決定一個氨基酸,這就是所謂遺傳密碼;但一個氨基酸卻並不是只有一個遺傳密碼,有好幾個密碼都可以翻譯出相同的氨基酸來,比如UUU這個三聯密碼對應的是苯丙氨酸,但UUC也可以翻譯成苯丙氨酸。特別是三個鹼基中的最後一位,變化的靈活性相當高,這種突變就叫同義突變,變了也沒啥大問題。這是典型的木村所說的不好也不壞的突變。

就算有些基因變化大了點,徹底把某個位點的氨基酸換了一個上來,但是,卻有可能這個氨基酸只是起到一種支架的作用,因爲蛋白質的氨基酸序列雖然重要,但支架性的四維結構也很重要,不過這些支架對氨基酸沒有什麼特別的要求,就好比一塊磚頭,誰都可以在那裡墊著。這,也就是前面提到的不重要的區域,這種突變仍然對蛋白質的功能沒有明顯影響。甚至,現在還有可能在實驗室裡對這些部位進行有目的的突變,以期能把蛋白質的活性部分更好地呈現出來,從整體上提高蛋白質的功能。大家熟悉的血紅蛋白就是這樣一種情況,不同物種體內的血紅蛋白氨基酸序列是有差別的,但大家都把工作完成得很好,這是中性突變的最好例證。當然,也有變壞了的,比如人的鐮刀形紅細胞貧血病就是因爲血紅蛋白上的一個氨基酸的改變造成的。

之所以總拿血紅蛋白說事,是因爲這是一個重要的考察對象。因爲其運輸氧氣和排出二氧化碳的功能對所有動物來說都相當重要,甚至在細菌和植物體內都有它的身影,是一種不可或缺的蛋白質。人體內的血紅蛋白分子是一個設計精妙的結構。每分子血紅蛋白由四個亞基組成,分別是兩個α亞基和兩個β亞基。每個亞基就是一條多肽,每條多肽裡面都包裹著一個含鐵的血紅素,血的顏色就是由血紅素決定的。鯉魚、馬和人的血紅蛋白α亞基都是由141個氨基酸組成,但氨基酸的種類有很大變化;鯉魚和馬只有75個氨基酸是相同的,其他66個氨基酸已經完全變化了。而人與馬之間有123個氨基酸是相同的,只有18個不同。這意味著,人與馬的親緣關係比較近,而馬與鯉魚就相對遠些。

重要的是,這些變化了的氨基酸都沒有影響血紅蛋白的正常功能,所以應該屬於中性突變,符合中性選擇學說。

但有的位置非常重要,不能隨便變化,否則後果很嚴重。上面提到的鐮刀形紅細胞貧血病就是因爲β亞基的第六位氨基酸上的穀氨酸被纈氨酸所取代造成的,純合子的紅細胞會因這一個氨基酸的變化而變得像把鐮刀,結果運輸氧氣的能力大受影響,患者不到成年就會死亡,這種突變不受自然選擇的喜愛。

但也有例外情況,當體內的血紅蛋白基因只突變了一條,而對應的另一條基因是正常的,這就叫雜合子。這樣形成的紅細胞反而具有一個意想不到的好處,可以抵抗瘧原蟲的侵襲,從而對瘧疾有很強的免疫力。這在瘧疾橫行的非洲叢林反而顯得尤其有用,正常的人都被瘧疾迫害致死,而血紅蛋白髮生突變了的個體反而得以活命。這又是自然選擇的結果,而不是中性選擇了。

也就是說,在分子水平上,明顯地存在著自然選擇與中性選擇並存的情況,而且是中性突變佔有絕對的多數,自然選擇對此不起作用。但這也不是絕對的,而是一種相當複雜的情況。有時無害的中性突變在特定的情況下,也會遭到自然選擇的打擊。比如,有一種同功酶,也就是執行相同功能的酶,發生了一個突變,一種酶在33℃時失活,另一種酶則在44℃時失活。當環境溫度在33℃以下時,兩種酶都可以很好地完成各自的工作,這是典型的中性突變,每一種酶都沒有選擇優勢。所以自然選擇是不起作用的。但是,當環境溫度發生改變時,達到了33℃以上但仍在44℃以下,適應低溫的同功酶將失去作用,自然選擇發揮了作用,這時就不再是中性選擇了。

很多動物都能自行合成維生素C,而人體不能,這是一次突變造成的。這一突變並沒有給人類帶來什麼危害,因爲在日常生活中,人們要食用大量蔬菜和水果,已經得到了足夠的維生素C,所以,這一突變是中性突變。但是,在特殊情況下,比如航海遠行或者受到嚴重監禁時,無法補充足量的維生素C,就要得壞血癥。那是一種很嚴重的疾病,處理不好,是有送命的危險的。所以維生素C又有一個名字叫抗壞血酸。

總之,以現有的研究表明,似乎中性選擇確實是與自然選擇並存的。

1969年,木村剛提出中性選擇學說的第二年,立即有兩位美國學者對此作出了積極反應,他們發表了一篇“非達爾文進化”的文章。但木村對此表示了不同意見,木村強調,他提出中性選擇學說,但並不表明將因此否定自然選擇。只是強調分子水平上多數突變是中性的,而並沒有說全部突變都是中性的。生物的表型,諸如形態、行爲和生態習性等,仍然是在自然選擇之下進化的。所以,中性選擇學說只是在分子生物學較爲發達的新的時期,對達爾文理論的補充和發展。

看來,木村本人並無意推翻達爾文的自然選擇進化論。

但事實上的效果卻是很嚴重的,連木村自己對自己說過的話都有點不信了,曾經又說過這樣的話:如果分子水平的中性突變是正確的,那麼表型水平肯定也有中性的變化。說達爾文自然選擇學說是百分之百的正確,也許不切實際吧。木村還舉例說:有的人鼻子高,有的鼻子低,這些性狀對於生存來說,究竟有多大影響呢,不都是活得好好的嗎?類似的例子還有人的指紋,所有人的指紋都不相同,但這種差異無疑也沒有任何選擇意義,當然也是中性的。木村認爲這樣的差異,對生存是既不好也不壞的。它們不會帶來什麼生存優勢,也不致影響生活質量。

如此說來,他不但否定了自然選擇在分子水平上的威力,對錶型水平的作用也是有所懷疑的。用這種眼光來考察表型,可以找出無數種中性性狀,所以中性選擇甚至大於自然選擇。

但用中性選擇學說又很難解釋表型進化,人與黑猩猩分開只有三百萬年左右,可是誰都能看得出來,人和黑猩猩之間看起來有多大的差別。不過,這兩者之間的蛋白質約有99.5%是完全相同的,正是那不足1%的蛋白質差異造成了人與黑猩猩的不同。如果分子水平的突變是可有可無的話,那麼,這些差別又從何而來?

這事一時之間很難有權威的定論。

目前爲止,對中性選擇學說有三種類型的評價。其一認爲,這確實是對達爾文的進化論得出了挑戰,指出了在分子水平上達爾文自然選擇理論難以解釋的現象,並否定了自然選擇對進化的重要作用。中性突變纔是進化的主要動力,而自然選擇只是起到一種被動的和消極的篩選作用而已。

另一種觀點認爲,中性選擇學說有一定的依據,但並不構成對達爾文的否定,相反,只是對達爾文主義的進一步豐富和補充。

第三種觀點則對中性選擇學說抱徹底的懷疑態度,因爲在基因水平上的所謂中性突變是否爲真正的中性,在實驗中很難加以確定。極有可能,那些我們看起來是中性的突變,實際上是有其確定的生物學效應的,只不過在現有的實驗技術條件下,無法對其加以定量檢測罷了。

這其實是華萊士早年表達過的觀點:如果我們難以理解某些生物性狀的適應性意義,是因爲我們的知識還無法認識到這一點。

看來,中性選擇與自然選擇的關係問題,很長時間內仍將是各說各理的事情。

第38章 自然選擇的對象,個體?羣體?還是基因? (1)第10章 《物種起源》——生物進化論中的里程碑 (1)第12章 牛津論戰,進化論與神創論的首次激烈碰撞 (1)第35章 綜合進化論,新的成果,新的內容 (1)第2章 一個嚴重的問題:我們從何而來? (1)第43章 社會生物學,新的綜合,新的爭吵 (1)第13章 牛津論戰,進化論與神創論的首次激烈碰撞 (2)第17章 樸素或華麗,性選擇在折騰誰? (1)第20章 動物利他行爲,你被感動了嗎? (2)第9章 華萊士,異軍突起的不幸的進化論先驅第32章 猴子審判及平衡法案,關於科學與科學的意義 (1)第43章 社會生物學,新的綜合,新的爭吵 (1)第30章 新達爾文主義與新拉馬克主義的對決 (2)第39章 自然選擇的對象,個體?羣體?還是基因? (2)第25章 大爆發與大滅絕,誰在翻雲覆雨? (3)第27章 社會達爾文主義,優生學及種族歧視 (2)第8章 達爾文出場:大自然開始操縱一切 (2)第31章 新達爾文主義與新拉馬克主義的對決 (3)第18章 樸素或華麗,性選擇在折騰誰? (2)第20章 動物利他行爲,你被感動了嗎? (2)第37章 綜合進化論,新的成果,新的內容 (3)第5章 拉馬克主義,以及鐵匠的兒子和老鼠的尾巴 (2)第24章 大爆發與大滅絕,誰在翻雲覆雨? (2)第3章 一個嚴重的問題:我們從何而來? (2)第7章 達爾文出場:大自然開始操縱一切 (1)第14章 關於人的迷局,凡夫俗子或是天之驕子 (1)第41章 對自然選擇的挑戰:分子進化與中性選擇理論 (1)第34章 猴子審判及平衡法案,關於科學與科學的意義 (3)第7章 達爾文出場:大自然開始操縱一切 (1)第4章 拉馬克主義,以及鐵匠的兒子和老鼠的尾巴 (1)第3章 一個嚴重的問題:我們從何而來? (2)第19章 動物利他行爲,你被感動了嗎? (1)第30章 新達爾文主義與新拉馬克主義的對決 (2)第2章 一個嚴重的問題:我們從何而來? (1)第19章 動物利他行爲,你被感動了嗎? (1)第7章 達爾文出場:大自然開始操縱一切 (1)第24章 大爆發與大滅絕,誰在翻雲覆雨? (2)第21章 動物利他行爲,你被感動了嗎? (3)第28章 社會達爾文主義,優生學及種族歧視 (3)第40章 自然選擇的對象,個體?羣體?還是基因? (3)第24章 大爆發與大滅絕,誰在翻雲覆雨? (2)第26章 社會達爾文主義,優生學及種族歧視 (1)第3章 一個嚴重的問題:我們從何而來? (2)第19章 動物利他行爲,你被感動了嗎? (1)第4章 拉馬克主義,以及鐵匠的兒子和老鼠的尾巴 (1)第1章 引 言第28章 社會達爾文主義,優生學及種族歧視 (3)第30章 新達爾文主義與新拉馬克主義的對決 (2)第17章 樸素或華麗,性選擇在折騰誰? (1)第28章 社會達爾文主義,優生學及種族歧視 (3)第43章 社會生物學,新的綜合,新的爭吵 (1)第19章 動物利他行爲,你被感動了嗎? (1)第20章 動物利他行爲,你被感動了嗎? (2)第26章 社會達爾文主義,優生學及種族歧視 (1)第12章 牛津論戰,進化論與神創論的首次激烈碰撞 (1)第6章 地質學的發展與《聖經》的尷尬第2章 一個嚴重的問題:我們從何而來? (1)第26章 社會達爾文主義,優生學及種族歧視 (1)第23章 大爆發與大滅絕,誰在翻雲覆雨? (1)第20章 動物利他行爲,你被感動了嗎? (2)第11章 《物種起源》——生物進化論中的里程碑 (2)第15章 關於人的迷局,凡夫俗子或是天之驕子 (2)第9章 華萊士,異軍突起的不幸的進化論先驅第44章 社會生物學,新的綜合,新的爭吵 (2)第3章 一個嚴重的問題:我們從何而來? (2)第21章 動物利他行爲,你被感動了嗎? (3)第40章 自然選擇的對象,個體?羣體?還是基因? (3)第13章 牛津論戰,進化論與神創論的首次激烈碰撞 (2)第44章 社會生物學,新的綜合,新的爭吵 (2)第31章 新達爾文主義與新拉馬克主義的對決 (3)第31章 新達爾文主義與新拉馬克主義的對決 (3)第12章 牛津論戰,進化論與神創論的首次激烈碰撞 (1)第25章 大爆發與大滅絕,誰在翻雲覆雨? (3)第20章 動物利他行爲,你被感動了嗎? (2)第9章 華萊士,異軍突起的不幸的進化論先驅第1章 引 言第42章 對自然選擇的挑戰:分子進化與中性選擇理論 (2)第41章 對自然選擇的挑戰:分子進化與中性選擇理論 (1)第32章 猴子審判及平衡法案,關於科學與科學的意義 (1)第15章 關於人的迷局,凡夫俗子或是天之驕子 (2)第40章 自然選擇的對象,個體?羣體?還是基因? (3)第29章 新達爾文主義與新拉馬克主義的對決 (1)第16章 關於人的迷局,凡夫俗子或是天之驕子 (3)第11章 《物種起源》——生物進化論中的里程碑 (2)第15章 關於人的迷局,凡夫俗子或是天之驕子 (2)第33章 猴子審判及平衡法案,關於科學與科學的意義 (2)第15章 關於人的迷局,凡夫俗子或是天之驕子 (2)第27章 社會達爾文主義,優生學及種族歧視 (2)第18章 樸素或華麗,性選擇在折騰誰? (2)第27章 社會達爾文主義,優生學及種族歧視 (2)第11章 《物種起源》——生物進化論中的里程碑 (2)第35章 綜合進化論,新的成果,新的內容 (1)第23章 大爆發與大滅絕,誰在翻雲覆雨? (1)第43章 社會生物學,新的綜合,新的爭吵 (1)第8章 達爾文出場:大自然開始操縱一切 (2)
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