主题：【原创】【进化生物学】活化石的“高速进化” -- 尼伯龙根·蜗藤
家园 【原创】【进化生物学】活化石的“高速进化” 【进化生物学】活化石的“高速进化”
这篇文章的主角是珍稀动物喙头蜥（Tuatara），它是产于新西兰几个小岛上的一种爬行动物。喙头蜥是一种古老的动物，是蜥蜴和蛇的亲戚，和它们同属于鳞龙超目（Lepidosauria），但是它自己单独属于一个目。从外形上看，它非常类似蜥蜴，但是头骨和牙齿与蜥蜴有很多不同，显示出很多原始的特征。喙头蜥属于爬行动物的一个古老的分支，早在2亿2千万年前已经出现。它和蜥蜴有着同一个祖先，这个祖先分化为两支，蜥蜴的那一支继续发展，最后演变成现代的蜥蜴和蛇，而喙头蜥这一支则几乎保持着两亿年前的样子。所以在生物界，喙头蜥属于著名的活化石。从喙头蜥身上，科学家能知道很多2亿多年前的爬行动物的特征。
除了活化石这一点之外，喙头蜥还有很多独特的特征。它在夜间活动，这一点在爬行动物中非常少见。因为爬行动物都是变温动物，夜晚的低温对它们的活动不便。但是喙头蜥可不怕这点，因为它的身体温度非常低，即便在5度的低温下仍然有活力。它新陈代谢率很慢，生长得很慢。成年的喙头蜥可以长到60厘米左右，但是它需要花上35年才能长到50厘米左右。它的生育周期也很长，通常要10到15岁才能性成熟，而生育的间隔长达2到5年。按照传统的理论，如此缓慢生长的动物和2亿年不变的身体结构仿佛都说明了它是一种缓慢进化的动物。
外链图片需谨慎，可能会被源头改然而，就是这种古老的活化石却给了科学家一个难题。最近新西兰科学家通过分子测序和序列对比的方式对它进行研究，竟然发现它具有快得不寻常的分子进化速度。这项研究发表在《遗传学趋势》（Trends in Genetics, vol 24, no.3, 106-109）上。他们找到33具大约8000年前的喙头蜥尸体，取出它们骨骼中的DNA与活的喙头蜥的DNA进行对比，他们发现喙头蜥的分子进化速度竟然达到每一百万年每碱基1.5个突变的速度（substitutions per base per million years）。为了说明这个数字，我们用其他动物做个对比。北美野牛（bison）的分子进化率只有0.3，而马更低，只有0.1。企鹅比较高一些，但也只有1.0。也就是说，喙头蜥的“进化”速度竟然比绝大部分鸟类和哺乳动物都要快。这是第一次针对“活化石”作出的分子进化速度的研究，这种生长缓慢的两亿年基本不变的活化石竟然有远远高于大部分鸟类和哺乳动物的进化率，真是不可思议。
外链图片需谨慎，可能会被源头改这个研究发现打破了以往很多的误区。比如人们一直认为进化的速度与世代交替的快慢成正比，但是喙头蜥的数据表明这种认识不对；人们也一直认为冷血动物的进化速度比恒温动物的要慢，但是喙头蜥又否定了这个假设。那么到底我们的认识在哪里出现了差错，导致这么大的矛盾产生呢？为此，我们要好好审视一下进化速度到底是什么东西。
在生物进化上有分子水平的进化和形态上的进化之分，前者是DNA在序列上的改变，后者是动植物在外型上的变化，这两者的关系一直是令科学家困惑的一个问题。无疑，在形态上的变化一定可以最终归结到分子水平上的变化，但是其中的关系却并不简单。比如，很多在DNA上面的变化并不导致形态的改变，也没有明显的优势。比如很多蛋白在物种进化过程中都出现了顺序的变化，但是这些变化基本不影响蛋白的功能，所以很难通过自然选择的法则说明它们的变异为什么能够稳定地从一代一代传下去。为了解析这种分子水平的演化，进化生物学家提出了中性漂移的理论，但是这种理论如何与自然选择相结合是一个至今还在研究的问题。
随之而来的一个问题就是关于进化的速度——中性漂移理论预测DNA的变异速度是近乎恒定的，而实验观察的结果也是这样。但是这个近乎恒定的DNA变异速度却和通过化石研究的物种进化速度相矛盾。在现实中，物种的变化速度受到环境等诸多因素的影响，因此不可能恒定。所以即便是中性漂移理论的提出者日本的木村资生（Motoo Kimura）也认为中性飘移的理论只能运用在分子水平。
这些本来都只限于在原理上的探讨，在应用上尚没有太大的影响。但是进入20世纪90年代以来，由于DNA测序技术的成熟和大规模应用在进化生物学上。科学家开始大规模地运用分子测序和对比等属于分子进化领域的方法去构建生物的进化树，他们的方法是在不同的物种中选取几个有代表性的蛋白基因进行测序，通过对比它们的相似度来确认它们的亲缘关系和分化时间。由于这种方法省却了大量的田野研究时间，所以非常方便和经济，而且由于它所代表的“高科技”含义，越来越多的进化生物学家都采用这种方法进行生物分类和进化的研究。但是他们的这种做法都回避了这样一个问题：由于分子进化和形态进化上的关系还没有令人满意的答案，这种严重依赖分子进化的方法真的可靠吗？喙头蜥的超快速度的进化就给这种方法的可靠性打上一个大大的问号。
对于喙头蜥的悖论，那么最合理的解释是什么呢？我们要么抛弃以前的关于生长速度和新陈代谢和进化速度之间的理论，要么置诸多的化石标本不顾而剥夺喙头蜥活化石的地位，要么痛苦地承认喙头蜥的超快进化是一个特例。但是最方便、最合理的解释莫过于重新考察利用分子测序与对比方法测定物种分化时间的可靠性。如果分子进化和形态进化是不同步的过程（decoupled process），也就是说，分子进化的快慢不代表形态变化的快慢，更不能说明物种分化的快慢，那么喙头蜥的悖论就能得到很好的解释。其实从理论上来看，DNA进化速度和形态进化速度存在差异的可能性。而喙头蜥的数据就是一个支持这个假设的直接证据。当然这样一来，近年来一直采用的以分子进化来测算物种分化时间的方法的基础就会被严重削弱，而根据这个方法所得到的物种分化时间的数据就会变得不可靠。那样的话，我们还有什么其它证据可以用来说明这种方法不可靠呢？
关于这个话题，我还可以列举另外一个证据，这就是科学界对于哺乳动物爆发式发展的争议。我们通过化石的研究知道，在恐龙时代，哺乳动物一直发展得很慢，直到恐龙灭绝后，留出生态真空，哺乳动物才有爆发式大分化。一直以来这个结论都没有人质疑，但是自从分子测序和对比技术兴起之后，就有人提出不同意见。因为根据分子测序和对比的结果，哺乳动物早在恐龙灭绝前的几百万年就已经大分化。传统古生物学家疑惑为什么在那个年代的地层中找不到这么多样的哺乳动物化石。分子进化学家假设那是因为化石形成不易，所以还没有找到。这个假设显然很难说服人，因为同一时代的恐龙化石多如牛毛，为什么就单缺这么多样的哺乳动物化石呢？为这个问题传统古生物学家和分子进化学家一直争论不休，为此还提出很多不同的模型。但是如果我们确认分子进化和形态进化是不同步的，那么上述的这个矛盾就很容易解释了：因为用分子进化来标定物种分化时间是错误的，得出的结果显然也不可靠。
如果这个分子进化和形态进化不同步的假设可以得到更多事实证明的话，那么近年来众多通过分子测序和对比确定物种分化时间的结果就变得十分可疑。我们就需要找出更多或者更好的定标蛋白质，还要结合足够的化石资料才能去准确判断物种形成的时间，而这些都需要更多的实验和其他证据去重新估量。幸亏通过分子测序和对比方法确定的种和种之间的亲缘关系的方法还算可靠，不然近10年来分子进化学家的工作可能就算是白做了。
http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b2ed3c3010090he.html
元宝推荐：闲看蚂蚁上树,橡树村,海天,家园 我在中恐网上看到关于早期哺乳动物 似乎已经找到了大量哺乳动物化石，已经分化了。
家园 del 家园 有几个问题 蜗藤兄关于美国民主党初选的文章我一直在看，很喜欢。不过这篇文章有些观点我不太赞同：
1.关于新陈代谢，世代长短和（分子）进化速率的关系并不是确定的，最多只能说相互之间有一定关系，更不是决定性关系。而且在学界这也只是一派观点，甚至不是多少人的观点，又何来“人们一直认为”呢？
2.木村本人都认为中性学说和自然选择并不矛盾。中性学说的论点是在分子水平上的多数变化是中性的，不受选择的。它并不排除存在少数变化确实是受到自然选择的。
3.“由于分子进化和形态进化上的关系还没有令人满意的答案，这种严重依赖分子进化的方法真的可靠吗？”我们说的“可靠”是相对的“可靠”。分子进化相对来说还是比较“恒定”的，所以才有“分子钟”的概念。形态的变化一是不好量化，而是变化太大，连“钟”的影子都没有。你说哪个更可靠呢？再说了，尺有所长寸有所短，“分子钟”一般也就用在近缘生物的分化时间估计上。对于远源生物的分化时间估计，有明确化石分化时间的就直接使用化石分化时间，如果没有的则通常必须用到某些已知的化石分化时间来scale。
4.关于哺乳动物爆发式发展和分子树指示时间的矛盾，我听说过，不过没有研究过各方的论点。不过就我自己看来，这并不难解释。通常我们所用分子树的方法并不假定种群大小的。其实这个没什么错，因为分子树本身的使用范围是在近缘种之间，假设群体大小基本不变基本可行。不过对于爆发式增长的群体，实际的树高是大大缩短的。在这种情况下如果要定时间，必须要考虑群体增长的因素。这就是为什么如果不考虑爆发式发展做出来的树会跑到实际分化时间早很多地方的原因。
我认为分子钟的可靠性对于近缘生物还是很高的，远缘生物有一定参考价值但是可靠性可能大打折扣。目前确实存在分子进化树被不恰当的“滥用”的情况出现。主要的原因恐怕还是用起来太方便了。:)
- 复 有几个问题
家园 欢迎讨论 以下是回复
1.新陈代谢世代长短和分子进化的关系的传统意见是摘自论文作者的话，有引用的文章，不过我没有细看。我的看法是有很大的相关性，因为世代多所以相对基因变化也大，符合一般的常识。所以我用人们一直认为了，可能有点不严谨。
2.你说得对，我在文章中也是这么说的。
3.形态是不好量化，但是不等于分子进化就可靠。它确实能得到一些光是凭形态研究得不到的数字。但是有了数字和数字本身是否可靠是两回事。我反对的不是这项技术，而是这项技术越来越被作为一个唯一的研究手段，谁叫它方便呢？我们在这点上并不矛盾。
4.你说的很有道理，这也是我认为在这个问题上分子测序和对比不准的原因之一，不过我没有在原文中讨论而已。
最后结论。你的观点大部分和我一样啊，为什么不赞同呢？
家园 没想到你还是同行， 刚去你新浪的博客看了一遍。说说我的看法吧。
1. 分子进化速度substitutions per base per million years，和分子进化钟的取样是截然不同的，没有直接的可比性。
分子进化速度，是对于全体的DNA样品而言。而分子进化钟，是选取的特别保守的蛋白分子，比如说最常用的线粒体里面的C色素。一般说来，分子进化速度，至少要比分子进化钟的数值要高几个数量级。
而我们公认的进化，是按照分子进化钟所选取的数值来进行推算的。这个是基础生物学的内容。并不是什么高深的新知识。而分子进化速度则是近年来刚刚兴起的，大多数是用于现存的具有亲缘关系的种类间的分析。据我所知，因为种种外界因素的存在，分子进化速度在现存的邻近种类间，会有很大的差异，所以一般不被用来作为直接的进化依据。举一个例子，就是我们实验室里面常用的果蝇的若干种亲缘种。其中几个按照分子进化钟是血缘关系非常近的种，他们的分子进化速度可以有几倍的差异。
这个很好理解，一方面是因为所谓的垃圾序列的存在。如果存在一个活跃的跳跃单位，或者转移子的话，那么每百万碱基中的序列差异，会因为增加或者减少一两个跳跃单位，而变不少。
另一方面，因为染色体断裂后重组，靠近染色体两端的，以及中间分裂点的异染色质，会有不同的突变速率。所以，即使是亲缘种之间的对应序列，也会因为所处的染色体位置不同而导致突变速度的改变。
再一个，就是所谓的突变热点的存在。比如说我们的免疫抗体蛋白产生基因簇的附近，突变率要高出平均值好几倍。临近的基因或者序列，相对于离得远一些的对应序列，分子进化率就要高得多。
最后一点，现在研究的，一般都是具有特定功能的序列的保守性。这些序列具有一定的功能，相对保守。而从化石中得到的序列，却完全是随机的保留下来的。在这些序列里面，有的是保守的蛋白序列，有的仅仅是保守的功能序列，有的则什么都不是，就是所谓的垃圾序列。对比这些序列得出的结论，在统计学上，有着一定的意义，但是对于实际的分子进化率来说，这样子一锅烩的大杂烩很难有什么直接的进化上的意义。
相反的是，从分子进化钟中所选取的蛋白序列比较，绝对可以找出这种生物所处的进化地位。虽然这个分子进化钟的单位也太大了一点。
2.关于如何才算是进化，以及进化的尺度问题。我觉得一直没有定论。即使分子进化钟作为一个公认的大的尺度，也只是大体上的。
我认为，关于形态学上的进化的标准，最终，还是要回到发育学上来回答。也就是说，如何才能够产生一个新的性状，必须要在分子水平上，做出回答的话，这个答案不会在进化学上产生，而必须在发育学的分子水平上进行回答了之后，才能够再回到进化学上来讨论。
举一个例子来说，上肢前端的增长，这在形态学上是一个性状。在传统的发育学上，是靠前肢末端的软骨钙化延迟来达到的。但是，这只是一个能够导致这种性状的原因，其它的可能的原因，还有在前肢肢芽产生时候，芽端增长；或者整个前肢肢芽增大，后来再细分为前端增大；或者前肢肢芽正常，但是，在顶端分化为前掌、踢、爪的时候，因为细胞分裂增快；或者是分化延迟；或者是分化后保留了过多的分裂能力；……
如果你知道了所有可能导致这个性状的突变，以及每个突变所涉及到的基因的个数。你稍微推算一下，就会知道，在什么样的分子突变率之下，每代中产生一个前肢末端增长的突变的比例。
进一步推而广之，你还可以知道前肢，后肢产生突变的总比例。如果能够掌握更多的信息的话，你还可以知道导致所有神经系统突变的比例……所有运动系统，血液循环系统突变的比例，所有的消化系统，生殖系统突变……
如果你能够把所有的因素考虑到，那么恭喜了，你会得到一个总的比例，就是在一个分子突变率为a,代时为b,每窝生产率为c，的群体中，产生一个特定的突变，或者一个突变的比例。你就可以完全的从分子进化的角度来预测形态进化。
你说，这是一个困惑，我看倒不是个困惑。因为把所有的基因，不管三七二十一的混在一起，就想得到一个特定的预测，那无疑是缘木求鱼。进化学，早就应该拜托了那种自以为是的依靠群体遗传学来指导的阶段了。
3.中性漂移假说，已经很古老了。上个世纪50年代提出来的。对应于目前的发育生物学和信号通路的研究来说，这个假说很好解释。因为对于特定的发育过程而言，应用到的基因成百上千，真正关键的只有十几个而已。也就是说，我们现在已知的接近3万个基因，在重要性上，尤其是产生性状的发育上，其重要性要分为三六九等的。
所以，即使理论上，产生一个发育突变的概率是一定的。即使在概率上来说，早100万年，和晚100万年，都是一样的。对于某个种群而言，早发生100万年比晚发生100万年，会产生什么样的影响，是不言而喻的。
而一个重要基因产生突变，必将产生一系列的突变来适应这个初始突变。这个时候，早10万年产生出来，和晚10万年产生出来，会造成非常大的差异。
同理，在往细枝末节上走，相同的概率，会导致完全不同的表型。生物体的性状的确定，完全可以用偶然这个词来描述。
4.我不同意你的重新考察利用分子测序与对比方法测定物种分化时间的可靠性的观点。在我看来，以前的结果不可靠，只是因为两方面的因素，一个是样品太少，不具有代表性，这也是为什么进来全基因组测序兴起的原因；另外一个是错误的把所有的序列混在一起进行比较。这样做根本没有意义。试想比较一下所谓的垃圾序列占98%的人，和垃圾序列占99%的植物，会有什么样的结果呢？
5.从分子进化率只能推出一件事情，就是这种生物的DNA复制酶的错误率。这个大体上是没有错的。而喙头蜥的突变率高（这个我还要怀疑一下），并不代表这种生物自己的DNA复制酶的效率低，因为这种生物的生活的温度本身就低。我们体内的DNA复制酶效率够高吧，你放到5度试试看。
我觉得喙头蜥在进化上的意义，恐怕更在于如何在如此低的温度下，虽然不能保证DNA复制的准确性完成，但是却可以利用低温来形成自己的一套体系来保证复制错误不会引起大麻烦。
这种如何在复杂环境下纠正错误，生存下来的本领，才是喙头蜥这种生物最重要的研究对象。
有空再聊。
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家园 几点回复 你的讨论很仔细，也相当有价值。
1.论文作者的所作的DNA测序并不是对如你所说的DNA全长的测序，而是对线粒体的一段进行测序。所以不存在你说的转移子和垃圾基因的问题。
2.你的意见和我的相同，进化的标准和时间应该按照形态学和化石为标准。这点我的态度很明确。不过分子进化和形态进化的关系确实是争论不休的问题（也是这篇论文的意义所在），所以我说科学家一直困惑并不不对。
3.你解释的是重要基因的问题。但是中性漂移说解释的是相对而言不重要的基因和序列的演变问题，（所谓中性就是这个意思）。很多蛋白质序列有异，但是功能相似，如何解释这些没有显著差异的基因在进化中的分化呢，就是中性漂移的着眼点。在解释这类问题上中性漂移（经过改进的）是很成功的。在分子层面，如何把解释分子进化的中性飘移和形态进化的自然选择完美地结合，目前还是进化生物学的任务。
4.十几年以来的分子测序和对比测定分化时间并没有把所有基因都混在一起比较。绝大部分都是挑选几个特定蛋白进行的。所以没有你说的“另一个错误的问题”。样本是不是太少我倒不知道。它的可靠性的质疑并非始于这篇论文。我举的另一个哺乳动物的例子也是一个很热的争论点。但是如果你在3中说的是正确的话，那么利用沿用十几年的分子对比和测序的结果就会更加不可靠。因为他们检测的只是少量蛋白，可能根本对于形态的变化毫无作用。
5.你这个说法是有可能的，也没有查到相关结果。但是同样是爬行动物，蛇和蜥蜴的也存在温度低的问题，但是它们的分子进化率都和牛，马等近似。这个说明低温不一定是高进化率的原因。
当然，任何论文都是一家之见，继续讨论是有益的。
- 复 几点回复
家园 我没看原文，所以好多事情没搞明白 1.线粒体的序列啊，这个问题有点复杂。因为线粒体的复制是靠自己的DNA复制酶，而不是用细胞复制所用的DNA复制酶。所以，线粒体的序列的分子突变率比细胞的要高几个数量级。我不知道其他的那些序列是不是也是线粒体序列。
2.十几年来的分子测序，的确是挑进化上功能相对重要，在不同的种类中非常保守的那些蛋白来进行的。但是近来随着全基因组测序的推进，开始尝试着用几M几十M的序列，进行比较，以此来推断分子突变率。我不知道这是不是你所说的那个。
3.我同意你关于进化树和测序的推断。因为一直以来，这些功能保守的蛋白被强大的进化压力限制住了改变的可能性。任何一个改变都意味着千百个其他的基因改变已经发生过了。
虽然绝大多数的对于发育重要的基因，都受到了强大的选择压力。但是处于不是最关键部位的那些基因，依然会改变的。而这些改变，却是性状改变的最主要的动力。
举例来说，头尾的决定，是依靠BMP信号的产生的浓度梯度。这个机制在节肢动物之前就已经确定了。甚至有可能在扁形动物，比如涡虫，出现的时候就已经决定了。因为眼点的存在，主要的功能性神经节，开始出现在身体前部。但是这个时候，头部还只是一个概念而已。
但是，真正的头部功能，要等到节肢动物才算是确定下来。口器的存在，只是我们标准意义上的一个替代。
真正的头部，要等到脊索动物才算是出现。但是首先出现的是上颌，下颌要等好长一段时间才会出现。
从最初的原始下颌，到目前存在的下颌。也经历了很多的变化才最终地定了下来。
举这个例子，是想说明一件事情。就是进化的突进中存在很多死胡同。但是这些死胡同，并不是凭空出现的，而是在最基本的主干上长出来的。而每一个枝节出现，都意味着修饰改变了原来的光秃秃的枝节。而这些枝节，因为一开始并没有什么重要的选择压力，（原来的枝节还在行使着呢），所以才能够逐渐改变，并且保留了下来。
这也是为什么所谓的进化大爆炸出现的原因。
好了，好像扯得太远了。就此打住。
家园 但是在遗传密码的第三位可以允许较大变化 这些功能保守的蛋白被强大的进化压力限制住了改变的可能性。任何一个改变都意味着千百个其他的基因改变已经发生过了。所以有时看到很大的DNA序列变化并不代表蛋白序列变化。
如果原文讨论的是蛋白质序列则另当别论了。但也有氨基酸也可以置换而不造成蛋白质功能剧变的。
家园 现在看来不是那么简单的 尽管密码子第三位可以变化，但是并不是说就没有选择压力在上面。一方面，是tRNA反密码子识别的效率和编码同一氨基酸的各种tRNA间相对比例的问题；另一方面，是mRNA二级结构与识别二级结构的转运蛋白间的问题；再有，是miRNA, siRNA识别位点的问题。所以，如果你看功能保守的蛋白质的DNA序列，在不同的种类间的比较的时候，你会发现，很多地方是高度保守的。尽管存在着密码子第三位的可变性，这些地方的保守性，就说明了选择压力的存在。
至于某些氨基酸转变，不引起功能的改变，这的确是事实。但是也不能一概而论。比方说某些线粒体蛋白质突变所引起的疾病。我记得是电子转移链中的一个蛋白，其中的一个亮氨酸，转变成了异亮氨酸，结果造成了在内耳的良性肿瘤。一般这种同类氨基酸的转换是不会造成什么影响的。这就说明了保守性的多样性。