分子生物学将如何重构物种的演化规律？

张国捷 | 浙江大学求是讲席教授

如何了解物种的演化规律？

在过去，大部分不做演化生物学的人，会觉得做演化生物学，只是在了解历史，重现历史。当然演化生物学，自达尔文或华莱士提出自然选择学说之后，我们回答的实际上是有两个大方向，第一个是所谓的共同祖先理论，就是构建生命之树这样的很重要的工作。任何的比较基因组研究或者比较生物学研究，跨物种研究都需要在正确的生命之树的框架底下来开展。

阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士

查尔斯·达尔文

基于16S 核糖体RNA序列分析重建出的地球生命演化树

演化生物学还有一个很重要的课题，是研究背后的演化规律。所谓的规律，主要是用来了解生命演化的内在驱动力，以及外在环境之间如何协同调控，如何影响个体的差异，以及物种演化的过程，这里面有很多经典的问题需要去解答。

生命之树研究，不光只是了解人类是怎样演化出现的，人类跟类人猿或者是其他灵长类之间的关系，我们也要了解全世界各种各样的生物和生态系统里所有的物种，它们是怎么样演化过来的。

了解生命演化规律的技术有哪些？

包括各种组学的数据、各种组学的手段，以及现在看到的任何分子生物学的数据，或者是技术，可能都是在我们领域里面能做一些形态学研究的。

那就有更丰富的手段，用核磁共振、ECT扫描或者是利用仿生的机器人这样的重构，来重现物种的组成。各种各样的动物学手段或者是工科、物理、化学的很多手段，其实都用来回答相关的研究。

分子生物学解决了哪些进化问题？

本身理论的一些相关探讨，是一直在不断地变化，特别是新的技术、新的学科出现之后不断的融合。

以我们的研究为例，我们其实感兴趣并且很重要的几个方面，第一个是物种起源的问题，达尔文提出共同祖先的理论，基本内容就是共同祖先的群体，可能分成两个小群体，逐渐走向不同的环境，分开之后，两个群体逐渐的产生基因之间的差异，最后由于缺乏基因交流，不断的积累变异之后，就形成了两个不同的物种。

这样基本的模型，是对于我们理解物种的形成非常重要，基于这样的模型，我们希望能够理解祖先变成两个物种，往深一点，两个物种的共同祖先跟另外的物种，可能在更早的时间分化，所以逐渐的搭建起来生命之树，我们可以把它简单理解成描述历史事件发生的地图。这可以告诉我们，物种是什么时候开始出现的？它的最近缘的物种是什么？它们的共同祖先在哪里？有这样基本的信息之后，才能够有的放矢的去做一些跨物种的比较研究。

自从达尔文提出共同祖先理论之后，构建生命之树变成了很重要的科学问题，包括人类在内，我们会问这么一个问题，人是从哪里来的？

在过去，基于对形态学的研究，它构建出来的物种关系树，不见得是准确的。因为我们知道的形态是演化的结果，那过程中，有可能不同的物种，在相同的生存环境里面，由于趋同的演化，导致相同的性状出现，如果说你纯粹用形态的构建，可能会把这两个物种聚在一块，认为这两个可能有共同的祖先，实际上它是独立形成了相同的性状。

分子生物学出现之后，就会看到分子树跟形态树之间有很大的冲突，这种冲突，在很多个物种类群里面都出现过，哺乳动物，包括人类在内。到底黑猩猩跟大猩猩哪个是近缘的物种？

19世纪中期，赫胥黎提出人跟大猩猩或者黑猩猩是我们最近缘的物种，直到分子生物学的手段，血清蛋白这种技术出来后才确认，黑猩猩是人类最近缘的物种，大猩猩则更远一些。

话题的争论直到基因组学出来之后，利用全基因组的数据重构了它们之间的关系，才发现确实跟黑猩猩是最近的。但是，人的基因组上面确实有15%的区域跟大猩猩更近。

基因演化的过程是非常复杂的，不见得所有的基因都遵从物种的演化和关系，因为这是群体遗传学的问题，就是宿主理论。我们可以推算出来，在群体比较大的情况下祖先有多大性能，它有可能是随机的分选到后续产生的物种里面，由于遗传漂变，使得有些物种丢失，有些物种保留下来，最后基因型所构建出来进化树，实际上跟物种树可能是不一样的。

当然还有一些复杂的现象，物种形成之后，它可能会跟另外物种存在杂交的现象，比如说我们熟知的现代人类，跟尼安德特人或者是丹尼索瓦人，就存在这样的杂交现象。这种现象在很多个物种类群里面都存在，在过去利用分子生物学的手段，在理解物种的起源过程中提供了非常大的帮助。

除了构建生命之树之外，还要回答物种形成后，它如何适应不同的环境，比如说北极熊如何适应冰冷的环境，特殊的极端的环境相对于物种的生存有极大的胁迫力。但是，很多物种实际上是能够适应不同的生存环境的，那就给我们提供很好的材料来理解生物基因产生的功能，如何适应这种环境，或者会产生新的性状，这些是理解物种不同生存环境的适应能力，为我们的寻找基因型以及表型之间的关联很好的手段。

鸟类基因组有哪些有趣的发现？

我们的目标当然是希望能够尽量全的去解读所有的鸟类的基因组，收集它的表型以及生态学的信息之后，能够给出完整的信息，得知鸟类的演化的历史生物多样性的基础分子机制是什么？显然我们不可能说随便有什么样的样品，我们就测什么样的基因组，是根据所谓物种类群，划分界、门、纲、目、科、属、种，鸟它是纲。

我们从目、科、属、种四个阶段逐渐开展的，2014年我们已经完成了目级别项的工作，2020年我们发布的内容，包括现在的工作，是一系列相关的成果。

它属于目级别或者科级别的工作，当然我们是在鸟类目或者科里面挑选代表性的物种，以这些物种来作为目类群的代表物种，开展相关的比较的研究。在前面阶段，围绕的是构建生命之树，也就是来回答鸟类辐射性演化的过程，是哪些类群先出现的？哪些类群是后出现的？那这样的先后顺序，不同物种之间分类的地位，以及不同物种之间的亲缘关系，在目级别跟科级别分别构出来目级别的树、科级别的树，鸟类有在不同的学科里，有很多广泛的应用。

包括生态学里用鸟类做研究模型，演化生物学更不用讲，研究各种各样的性状，在生物地理学研究鸟类类群在全世界的分布，它分布的一些规律做病毒研究，比如禽流感它是如何来传播的？那可以说在过去，生命之树之间冲突是巨大的，所以用的树，实际上是不同的研究用的不同的树，得到了结论不一定是正确的。这次我们是给出了统一的全基因组数据，最多的数据来支持下的物种生命之树，为它的可靠性提供了更好的科学的依据，也是最重要的成果。

当然，我们在过去有一系列相关工作，来理解比如鸟类的性状是如何来演化的，鸟类的一些骨骼系统，所有的鸟类里面都没有牙齿？那牙齿丢失的过程是什么？鸟类翅膀的发育、羽毛的发育以及一些生理生态特征。我们利用鸟类的基因组数据，我们可以来回推这些鸟类在过去100万年里面，它们种群演化的历史演化，它跟气候关系是什么样的？寒冷环境或者是气候变暖的情况下，哪些物种更容易适应的？能够让我们做一些相关的未来的预测，对保护生物学有很重要的借鉴的意义，来回答在当下全球气候变暖，哪些鸟类能够更好地适应？

那下一个阶段，我们已经完成了目级别、科级别的这两个阶段的工作，现在我们正在组织的是属级别相关的工作，差不多有2000多个，我们已经收集了差不多有4000个物种，那我们希望能够进一步的来构建属级别的生命之树。

基因组如何揭示灵长类动物演化？

想要回答这个问题，就是人为何为人？这样的命题的情况下，我们不光要了解人自身基因组或者是自身的功能，它是基于跟其他物种比较的研究上面得到的一些相关结论，比如我们人类大脑的相对脑容量的变大，它是基于跟其他灵长类的比较上面得到一些结论。

这个课题是四年或五年前组织的灵长类基因组的研究，我们是联合的国内以及国外的好几个课题组，差不多有50个灵长类基因组相关的比较研究，来理解人类每个基因或者每个碱基漫长的演化历史，它在哪个时间节点出现的。那同时我们也希望能够借助项目来了解复杂性的性状，比如说灵长类特殊的就是社会组织，那这样的社会结构是如何来出现的，对大脑影响是怎样的变化，是否会影响到社会形态或社会组织形式的出现，也希望能够借助这样数据，更好的去理解灵长类分化的历史。

刚才讲的共同主祖先的理论，比如说生命之树的说法，但过程中有很多的“人”，虽然跟黑猩猩也是最近缘的物种，但这里边还有15%的区域是跟大猩猩更像的，出现这个现象，是因为不完全谱系分选这种特殊现象导致的。同时物种之间，还存在跨物种杂交，虽然我们希望能够通过这样的数据，更充分的理解这两种现象，对于灵长类的类群或新物种的出现，会有什么样的影响，我们除了构建生命之树，也发现在整个灵长类的过程中，不完全谱系分选的影响非常广泛。同时还有跨物种之间杂交，比如说课题组的合作，云南大学的于黎教授跟兰州大学的课题组，他们就比较研究发现，川金丝猴种群跟黔金丝猴存在一些杂交的现象，杂交可能也会形成全新的物种。

杂交成种这样的现象，在哺乳动物里面是非常罕见的，特别是在灵长类中，过去从来没有报道过。

我们跟昆明动物所吴冬冬课题组，也发现在猕猴属里边的一些类群，也是通过物种杂交的现象形成全新的物种类群，这些对于整个灵长类演化或者是灵长类新类型的出现，提供了很多新的见解。

分子生物学对人类疾病的帮助

是一种表型，只不过这种表型，对于个体来讲，它可能不那么舒服或者说是不适应，使得个体死亡，或者是出现各种症状，绝大部分可遗传的，这种疾病都是由DNA突变引起的。另外一个说法是演化的动力，我们从演化的视角来看，就是不存在这种突变，如果没有突变，相当于我们就没有演化的动力了，那一旦外在环境变化，我们就没办法储备一些遗传变异来应对不同的环境。对疾病来说，我们当然希望突变控制在一定的范围里面，不能太大。从个体的来看，突变当然不要太多，因为很多突变都是有害的。

单从演化视角，就是不能让突变速率变成0，所以突变率到底应该是要维持到什么的范围，不会产生太多的疾病。同时对于演化还是有这种驱动力，那就是每个物种，会存在不同的突变率的范围，那突变速率的范围是由什么来决定的，是很重要的问题。或者是换个说法，就是为什么人相对黑猩猩或者其他的灵长类，我们的突变速率是更小，比如小鼠的突变速率比大部分灵长类的物种还要大，那又需要回答核心的问题，突变速率为什么会有不一样？通过去年的研究工作，我们就揭示了突变率本身，我们是可以把它当成性状来研究，因为突变速率在群体里面相对比较稳定，所以我们可以把它当成是物种特有的性状。

我们发现决定或者影响突变速率的大小，很重要的因素是每个物种的繁殖效率，如果说产的后代越多,那它可能每年积累的突变速率相应会更大。比如说寿命或者是我们的每一代的代时，也会对我们的突变速率有很大的影响。实际上这有很重要的启示，为什么我们人类突变速率要维持到这样的范围里？实际上是提供了这样的演化视角，有很多的疾病现象其实并不是人类特有的，过去有很多人是认为人类特有的生理现象，其实在很多物种里面都存在。比如说最近的一些研究发现鲸鱼、黑猩猩里面，都存在更年期这样的效应，也就是绝经的现象。

这当然是人类关心的问题，因为涉到女性的生理健康的重要特征，那从演化的视角来讲，绝经它意味着生殖能力的丢失或停止，在演化过程中，它虽然会有很多改变，就是说自然选择，是没办法在你失去生殖能力之后进行相关的选择，所以我们会看到过了繁殖周期之后，各种各样的疾病就会出现。那过程实际上是很重要的动因，因为自然选择它已经失去了效率，能够把这样的变异给清除掉，这样的研究领域，还是比较新的领域，相当于把人类疾病或健康现象，是以性状来研究相关的演化的规律。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

团队/作者：深究科学

审核：叶盛 北京航空航天大学医学科学与工程学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司