听分子钟讲进化的故事

自从150年前查尔斯·达尔文认识到一切生命间存在的血缘关系,科学家一直致力于绘制出完整的生命树。今天,通过探索进化树来追溯的时间将会超过达尔文的预期。各类生物学家都在使用一种叫做分子钟的技术,即生命的过去是通过解读生命机体的基因序列来描绘的。大范围来讲说,分子钟使得古生物学家揭示了数百万年的进化故事。小范围来讲,流行病学家能追踪仅几十年间的疾病传播。

确定物种起源的年代 [caption id="attachment_5938" align="alignleft" width="228"]约1879年,海克尔的脊椎动物树 约1879年,海克尔的脊椎动物树[/caption]

作为遗传生物学的概念基础,分子钟也称作「进化钟」或者「基因钟」:所有生命的遗传信息都以遗传分子(通常是DNA)的形式自前代中获得。随着时间的推移,分子钟可以用来估算进化事件发生的时间。信息通过时间传递,就好比一个与世隔绝的修道院,有一本古老的书,是由一代代修道士誊写下来的。有一年,一位修道士决定向世界勇敢出发,他发现了一个新的修道院并送了一本誊写的书给它。他一直通过复写来保存这本书,其中不可避免的存在些许错误。这些并没有改变这本书的意义,所以他们并没有注意到或者改正,因此变化逐渐增加积累下来。

几个世纪后,一个学者偶然发现这两个修道院并且认为他们有共同的起源,因为两本书如此相似不可能是单独出现的。她想知道两本书的分支时间点并且研究两本书的区别。经过大量研究之后,她认识到这些差异(主要是拼写的变化)是随着时间以适当的稳定速率而突然出现的。 她发现这两本书的差异在于100个变化,并且推测500年前它们拥有共同的起源(100个变化,10年出现一个,因为他们是两个不同的「世系」的共同堆积,再将所有年份除以二)我们所说的书代表了基因组,每一章代表一个基因,基因是由核苷酸A、T、C、G组成的序列。修道院代表物种,而修道士是这个物种中独立存在的个体。其中产生的差异是基因突变的结果。突变没有对DNA造成影响的是无义突变,这些突变累积在遗传密码中并没有被改正或者被自然选择所遗弃。所以,我们可以读取遗传密码,在基础水平上比较物种推断它们的进化历史。 DNA的不确定性 [caption id="attachment_5939" align="aligncenter" width="1447"]人类与黑猩猩具有相同的祖先 人类与黑猩猩具有相同的祖先[/caption]

然而生物的复杂性使得分子钟的齿轮比预期的更繁琐。三个方面的演变能够误导生物钟。

进化会趋同,独自进化的不同物种会显露出相似性,使得我们很容易误认为他们具有亲缘关系。例如,因为鲨鱼与海豚长得相似就认为他们是亲戚是错误的。它们仅仅是因为相似的栖息地,捕食和生存压力使得它们看起来差不多一样。同样的事情会发生在DNA上。某些基因能够快速进化并且可能会发生复写(「饱和状态」),违反了变化量与时间之间的既定关系。 image-20150820-7231-1x9mzfx [caption id="attachment_6097" align="alignleft" width="237"]它们看起来很相似,但鲨鱼确实另一种完全不同的物种。 它们看起来很相似,但鲨鱼确实另一种完全不同的物种。[/caption] 部分基因片组的偶然复制、丢失、或是亲缘关系较远的生物体间的转移(基因水平转移),都会使得判断相似性变得困难。我们要谨慎选择数据以减少这种误差。 另一个问题是,基因的变化率并不总是一致的。基因组不同部分以不同的速度进化,并且速率也随着时间变化。解决方案是修复已知基因的变化:化石校准。对于一些世系来说,我们可以通过其祖先的化石来确定他们的年代,并且通过放射性元素测定可以知道其出现的时间。 通过分析两个世系间分支的时间以及大部分基因的变化,我们可以推断出进化树的其余部分,估算其他世系出现的时间。由于化石纪年和进化变化率不确定,分子钟的精确度并不高,但合理使用时,仍具有很好的准确性;准确度的缺乏正反映了我们对过去的不了解。毕竟,物种的形成不是瞬间完成的而是经过了相当长的世代。 例如,大猩猩与人类是在8,028,519年前分化的说法不如他们大约是在770-830万年前分化的说法更合适。这种不确定性可以通过有效的利用标准和大部分有用数据来减小。 应用与展望 或长或短的分子钟以讲述了进化的故事。在2012年,学者得到一个结论:40年前,流行于印度的艾滋病有共同的祖先。因此他们可以推论这种疾病的传播,制定医疗政策,帮助预测疾病的蔓延路线,提前预防、有效的部署资源,拯救无数的生命。 古生物学家利用生物钟技术挖掘一些仅有很少化石记录的种群的深度历史。例如,企鹅是从最近的(从地质学角度分析)祖先中传下来的,大约2000万年前;然而第一个复杂的细胞是从12多亿年前的细菌世系中形成的。这些例子对于我们了解过去的环境以及生态条件十分有价值,并且可以扩充我们的进化动力学的知识。 随着我们越来越理解进化,我们更加了解到达尔文关于生命树的预见。假如他从坟墓里跳起来,他会高兴于已经取得的成果,沉思于河马与鲸的亲缘关系和细菌与线粒体直接真实的古老联系。分子钟不仅构建了生命树,而且使得其分支明确并能更深层次的探索其根源。

来自The Conversation,作者Al Tanner,机器之心编译出品。参与人员:贾雪卿。

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