科學網進化之惑：變異從何而來？

沒有變異就沒有進化，這是從古到今所有進化論者毋庸置疑的共識。但是，關於變異的來源或產生方式（漸變或突變）卻是歷來進化論者爭論的焦點之一。關於來源，博物學家、遺傳學家、哲學家和物理學家各持己見。關於產生方式分為兩大陣營：博物學家信奉漸變論，他們以「自然無躍進」為箴言，而遺傳學家和物理學家則信奉突變論。杜布贊斯基（1964）曾說，「對於自然選擇學說最常發生的異議，也許就是說這個學說沒有能說明遺傳變異的原因，而只是先承認有變異的存在，然後自然選擇就得以發生作用」。1. 拉馬克和達爾文（博物學家）—環境與適應決定變異法國博物學家拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck）強調動物的主動性適應，他認為生物在趨於完美意志力的驅動下進行變異與適應而獲得遺傳，而這種適應的形式就是所謂的用進廢退。相比之下，達爾文更相信不同的生存環境引起變異（雖然他也承認拉馬克的用盡廢退可導致變異），認為這樣的變異主要是隨機的，並通過自然選擇而獲得遺傳。雖然拉馬克強調主動性適應（意識性適應）而達爾文更強調被動性適應（非意識性適應），但他們都認為生理體制上的變化最終會走向遺傳（這似乎是博物學家的一種直覺）。但是，現代生物學家（特別是分子遺傳學家）則認為這有悖於所謂的「中心法則」！巴頓等（2010）指出，「現代進化理論假設突變和選擇是分開的過程。突變（和重組）產生變異而不考慮其後果（如生存和繁殖）；選擇和其他作用於變異的力量導致了適應」。當然，他們也承認，「否定『拉馬克』進化的可能性或者證明突變和選擇不相聯繫都是非常困難的」。達爾文一方面旁徵博引地闡述了自己對變異原因的種種分析，但又承認他並不知道變異產生的真正原因，這也是他的進化論常常遭受攻擊的重要原因之一。從某種意義上說，達爾文對變異的認識依賴於表象與想像，頗為含混不清。他在《物種起源》中說，「在較早馴化的動植物中個體之間的差異……一般都比自然狀態下任何一個物種或變種的個體之間的差異更顯著」，而事實上這可能並不準確，因為，有人甚至認為家畜和栽培植物的品系或品種的個體之間的變異是非常小的。達爾文認為將家養動物飼養在不同環境之中就會產生更多的變異，他說，「生活條件的變化，在引起變異上具有高度的重要性，它既直接作用於體制，又間接影響到生殖系統」。達爾文指出，「個體如果飼養的愈多，變異出現的機會也愈多」。這既有一定道理，但也並非絕對如此。達爾文認為動物「品種的改良，一般決不是由於不同品種的雜交」，但有時又說，「在某些例子中，不同原種的雜交，在我們的品種的起源上，似乎起了重要的作用」。達爾文也指出了生物自身的適應性對變異的意義，他說，「博物學者們接連不斷地把變異的唯一可能原因歸諸於外界條件，如氣候、食物等。從某一狹義來說……這種說法可能是正確的；但是，譬如說，要把啄木鳥的構造、它的腳、尾、喙，如此令人讚歎地適應於捉取樹皮下的昆蟲，也僅僅歸因於外界條件，則是十分荒謬的」（Darwin 1872）。達爾文說，「變異性是由許多未知的法則所支配的……有一部分，可以歸因於生活條件的一定作用，但究竟有多大程度，我們還不知道。有一部分，或者是很大的一部分，可以歸因於器官的增強使用和不使用。這樣，最終的結果便成為無限複雜的了」。達爾文其實頗為迷茫，他說，「在分明不同的外界條件下的同一物種，能產生相似的變種；另一方面，在分明相同的外界條件下的同一物種，卻產生不相似的變種，我們可以舉出許多這樣的事例。還有，有些物種雖然生活在極相反的氣候下，仍能保持純粹，或完全不變，無數這樣的事例，對於每一個博物學者都是熟悉的。這種論點，便使我考慮到周圍條件的直接作用比由於我們完全不知道的原因所引起的變異傾向較不重要」。他的直覺和推理是對的，但他對有性生殖的機制一無所知，在他的思想中，作為個體變異來源的有性生殖只具有非常次要的作用。2.魏斯曼（發育遺傳學家）—有性生殖是變異的唯一來源德國遺傳學家魏斯曼（August Weismann)認為有性繁殖是能產生無限的個體變異的唯一途徑，而這正是生物種群的主要特徵，在受精時「就好像是兩股遺傳趨勢匯合（結合）在一起。我認為這種結合是可以遺傳的個體性狀的起因，而且我還相信產生這樣的性狀是有性繁殖的真諦。這一過程（有性繁殖）的目的是產生作為自然選擇形成新物種的素材的那個個體差異」（邁爾1990）。杜布贊斯基（1964）說，「魏斯曼早在1892年就已指出，有性生殖能夠增加遺傳的變異性。遺傳學已經證實了這個預言。有性繁殖造成了無數的基因組合，它們可以被自然選擇來測驗其適合性」。魏斯曼將有性繁殖作為個體變異的唯一途徑未免過於誇張（雖然是主要途徑），但他意識到有性生殖對個體變異的重要性還是值得肯定的，雖然那時還不可能認識到有性生殖的分子機制和本質。需要指出的是，有性生殖也不是如魏斯曼所說的是為了產生變異，關於這一問題的詳細論述參見謝平（2013）：進行有性生殖的物種是以群體基因庫的形式保存著變異性狀（如通過等位基因），此外，雖然有性生殖在減數分裂中容易導致基因變異，但它只是一種偶然的結果而非原因。3. 柏格森（哲學家）—生命的原始衝動是變異的根本原因諾貝爾文學獎得主、法國哲學家柏格森（Henri Bergson，1859—1941）在《創造進化論》一書中指出認為，「……生命的原始衝動（original impetus），通過連接代際間隔的成熟有機體從前一代胚芽傳給下一代胚芽。這種衝動沿著進化的路線持續，被這些路線分開，它就是變異的根本原因，至少是那些被有規則地傳遞的變異的根本原因，是那些積累和創造新物種的變異的根本原因。總之，從物種開始從共同的祖先分化起，它們就在各自的進化過程中強化了自己的差異。然而，在某些確定的點上，它們又可能出現共同的演變；實際上，倘若接受『共同衝動』的假定，它們就必須如此」。那什麼是這個原始衝動呢？柏格森說，「所謂原始衝動，就是一種使生命得以發展的內在衝動，其形式越來越複雜，其最終目標越來越高」（柏格森1907）。這不就是拉馬克所說的一切生命就具有一種內稟的趨於向高級生命進化的趨勢么？

原文書名：L"Evolutioncréatrice（1907）4. 德弗里斯（遺傳學家）—新物種通過突變（而不是微小的連續變異）而形成荷蘭植物遺傳學家雨果·德弗里斯（Hugo de Vries,1848-1935）於1886年偶然發現了兩株與眾不同的紅桿月見草（Oenothera Lamarckiana）類型，之後對月見草的突變現象進行了長達16年的試驗研究。他提出了基於突變的物種形成理論：①新的基本種可不經過任何中間階段而突然出現；②從它產生的時刻起，新的基本種通常是完全穩定的；③就性狀來說，大部分新類型恰恰相當於基本種，而不是相當於真正的變種；④基本種常常是在同一時刻內，或至少在同一段時間內，出現在大量個體中；⑤新的性狀同個體的變異性之間，沒有什麼特殊的聯繫；⑥形成新的基本種的突變，是在所有的方向上發生的，所有的器官幾乎在所有可能的方向上都會發生變化；⑦突變是周期性出現的。德弗里斯於1901-1903年撰寫出版了《突變理論》一書，認為達爾文的微小變異並不是形成新物種的真正基礎，而新物種主要是通過跳躍式的變異—「突變」而產生的（任本命2005）。後來，人們發現德弗里斯在月見草中所觀察到的突變現象多屬於染色體畸變或染色體重排，有些甚至是多倍體，與個別基因的突變有很大不同。之後的遺傳學家對德弗里斯的突變理論進行了充實與修正。美國遺傳學家摩爾根（Thomas Hunt Morgan，1866~1945）於1910年首先在果蠅中發現了基因突變，美國遺傳學家穆勒（Hermann Joseph Muller，1890 –1967）於1927年、美國遺傳學家斯塔德勒（Lewis John Stadler，1896 - 1954）於1928年分別用X射線等在果蠅、玉米中最先誘發了突變，1941年德國猶太人奧爾巴克（Charlotte Auerbach，1899 - 1994）和俄國猶太人羅伯遜（John Michael Robson，1900–1982）發現芥子氣可以誘發果蠅的基因突變。現代分子生物學家認為，突變指發生在遺傳物質DNA（或RNA）上的可遺傳變化，或者簡單地說，突變就是指DNA鹼基對的改變。這樣一來，突變可以小到一個鹼基的變化，也可大到成段DNA的改變。根據對個體的適應意義，突變被區分為三類：有利的、中性的和有害的。基因型中包含了有利的新突變的個體將會得到自然選擇的支持，但這會十分稀少，常見的是不影響表現型適應度的突變（即所謂的中性突變），而有害的突變將會遭到選擇的抵制，如果有害突變是隱性的，它們將會以雜合形式在群體中存在下去，如果它們直接遭到淘汰，就是所謂的致死突變（邁爾2009）。但是，巴頓等（2010）認為，「最初遺傳學家強調單個突變作為新物種形成原因的重要性。他們認為新物種是通過單個基因突變的巨大效應直接產生的。事實上，因為兩個原因，這種例子很罕見。第一，巨大表型效應的改變總是破壞生物體的，是有害的。第二，當導致生殖隔離的突變稀有時可能會受到相反的選擇……雌性可能不會偏好一個新的雄性性狀，反之，一個新性狀雌性的偏好會導致花很多的代價去尋找稀有的那些攜帶該性狀的雄性」。筆者認為，這些都不能絕對一概而論，也無法給予實證，其實，變異對成種的影響大小與生物的體制密切相關。此外，基因突變看似與達爾文的漸變論矛盾，但鮑勒（1999）認為，「現代的自然選擇遺傳理論仍然認為突變是變異的原材料，但是已經表明這些突變融入到群體中；但是突變在融入到群體中使群體的變異表現出連續性，則正符合達爾文的設想」。5. 薛定諤（物理學家）—只有突變才能遺傳諾貝爾物理獎得主、奧地利理論物理學家薛定諤（Erwin Schr?dinger, 1887~1961）在其1944年出版的《生命是什麼》一書中，對達爾文的「變異」進行了猛烈的抨擊，他說，「今天我們已經明確地知道，達爾文是錯誤地把即使在最純的群體里也會出現的細微的、連續的、偶然的變異，當作是自然選擇的原始材料。因為後來已經證明，這些變異是不遺傳的」（Schr?dinger 1944），另一方面，他對德弗里斯的突變論大加讚賞，甚至將其吹捧為「生物學的量子論」！薛定諤徹底否定達爾文的連續變異理論，認為那些細微的、連續的的變異是不可能遺傳的。但問題是，要區分哪些變異是可遺傳的哪些是不可遺傳的卻是十分困難的。

E. Schr?dinger但薛定諤也說，「突變肯定是遺傳寶庫中的一種變化……突變是達爾文描述的自然選擇的合適的原料，在此過程中，通過不適者被淘汰、最適者生存從而產生新種……只要用『突變』來代替『細微的偶然變異』（正如在量子論中用『量子躍遷』來代替『能量的連續轉移』），達爾文學說的其他方面是不需要作什麼修改的」（Schr?dinger 1944）。筆者認為，物理學家的量子理論看上去與分子遺傳學家的基因突變理論十分情投意合，這在較短的時間尺度上似乎也無可非議，但是，這在本質上也是一種唯基因論（基因萬能、基因決定論）！當然，薛定諤也意識到，「如果突變是如此的頻繁，以致有很多的機會，比如說，在同一個體內出現了十幾個不同的突變，而其中有害的突變又總比有利突變佔優勢，那麼，物種非但不會通過選擇而得到改良，反而會停滯，甚至會消亡。由基因的高度持久性形成的相當程度的保守性是十分必要的」（Schr?dinger 1944）。杜布贊斯基（1964）指出，「遺傳變異通過突變而起源的發現，說明了在自然群體中，選擇所藉以發生作用的材料是存在的。在達爾文的進化學說中，他自己也深深地知道的最大困難，由此也就被消除了」，他還強調了突變的隨機性：「遺傳學斷言，生物並沒有具備天賦的產生適應於環境所需要的突變的能力」。事實上，生物體內的生化機製表明，物種並未放任變異，它們時刻都在努力減少DNA複製過程中的錯誤以維護遺傳的穩定性，這是因為生物界普遍存在著DNA的修復機制。但是DNA修復又需付出能量與時間的代價，因此是對少量錯誤的一種「無奈」的放棄（可能正是這種「無奈」，成為生物界得以如此繁盛的重要契機之一）。此外，有時不能保證對一切錯誤的完全修復，譬如，當在DNA雙鏈的同樣位點同時出錯（無論是複製錯誤還是受到物理化學條件的誘導）時，則修復就不再可能，要麼由於它是有害的突變而被淘汰，或中性或有利的突變而被保留，如果足夠幸運的話，甚至可成為新的等位基因而在種群中擴散。或許可以設想，如果在配子中再多一份拷貝（二倍體），或許就能保證更好的遺傳穩定性，但事實上，這樣的結果往往會導致一個新物種的出現！6. 遺傳突變——複製錯誤、染色體重組與多倍化由於遺傳物質—DNA的信息單元數量巨大，使得分毫不差的精確複製與維持極為困難，因此，種族一方面努力清除突變（在複製期間對DNA進行校正與修復機制）以維持同質性，而另一方面為了保證速度又不得不對極少的差錯進行妥協。這樣看起來，突變因為遺傳信息不能精確複雜而不可避免（圖1）。從潛力上來看，每鹼基對每次複製的突變速率原核生物遠高於真核生物。

圖1 突變速率與基因組大小的關係。RNA病毒（紅色）：犀牛病毒、脊髓灰質炎病毒、水泡性口炎病毒和麻疹病毒；DNA病毒（綠色）：M13、λ、T2和T4；古細菌（藍色）：Sac –嗜酸熱硫化葉菌；細菌（藍色）：Eco – 大腸桿菌；真核微生物（紫色）：Sce – 酵母、Ncr – 粗糙鏈孢菌；後生動物（黑色）：Cel – 線蟲、Dme – 黑腹果蠅、Mmu – 小鼠、Hsa – 人類（引自Sniegowski et al. 2000）對真核生物來說，染色體重組（表1）對物種變異的貢獻不容忽視，即在減數分裂過程中親代染色體之間出現聯會與片段交換，從而導致染色體變異。總之，正是DNA複製過程的無可奈何的副產物—變異性在生命演化過程中扮演了重要角色，它與有性生殖模式相配合，在推動物種分化的過程中取得了巨大的成功。表1 不同類群染色體進化速率的變化生物類群檢測的屬的數目屬的平均年齡每百萬年染色體的凈變化有胎盤哺乳動物鼠424.617.8靈長類124.414.2兔39.012.8有蹄類動物144.311.5食蟲和貧齒類動物811.06.5食肉動物1111.64.5蝙蝠1710.73.3鯨36.31.7平均—7.79.1其他脊椎動物有袋動物81.91.3蛇1212.42.6蜥蜴1523.02.4海龜和鱷魚1351.00.21青蛙1216.71.8火蜥蜴921.50.6硬骨魚2318.82.6平均—20.61.7軟體動物前鰓亞綱軟體動物的蝸牛1664.70.3其他蝸牛1549.00.4雙殼類377.00.1平均—64.00.3（引自Wilson et al. 1975）值得注意的是，多倍化成種似乎是達爾文漸變論的最大例外。在細胞分裂過程中，基因組的兩份拷貝需要合理地分配到兩個子細胞中，但由於染色體分離出錯，偶爾會出現個別染色體甚至整個基因組的加倍現象。基因組加倍導致的多倍化（polyploidization）是一種劇烈的突變形式，但是，它在真核生物的物種分化中卻具有重要意義。據稱，在蕨類植物中約有16%的物種形成事件涉及染色體數目的變化，大約7%的成種事件包括多倍化，在被子植物中，2%-4%的成種事件包括一個基因組的加倍；而與植物相比，動物通過多倍化而成種的事件卻十分罕見（巴頓等2010）。蕨類植物單倍體染色體數目的分布見圖2，可以用奇數和偶數染色體數目的比例估算多倍化的發生，即基因組的加倍得到偶數的染色體數目，反之其他類型的染色體改變將導致偶數和奇數間的隨機搖擺。在所有植物里，蕨類植物瓶爾小草（Ophioglossum vulgatum）是迄今已知染色體數目最多的植物，有2n=1260條染色體和約84個祖先基因組拷貝（巴頓等2010）。如此之多的染色體實在令人驚訝，在細胞分裂過程中如何將它們精確地分配到子細胞中去恐怕也非易事。很難說，這不是染色體反覆加倍的結果。好奇的是，瓶爾小草為何會如此獨特呢？

圖2 蕨類植物單倍體染色體數目的分布，但省略了單倍體基因組染色體數目多於200的14個物種（引自Otto and Whitton 2000）在動物界，多倍體偶見於一些低等無脊椎動物（譬如馬蛔蟲、果蠅、尺蠖、蝗蟲、豐年蟲、蝸牛等），也見於少數高等動物（如泥鰍、蛙和蠑螈等）。但是，多倍化對哺乳動物似乎是致命的，譬如，人類在倍型水平上的大多數改變都有可怕的後果，除21號染色體的三倍體會導致唐氏綜合症以外，所有其他的倍型改變將會導致胎兒期或很早的死亡（巴頓等2010）。7. 變異在群體中的保存與擴散—孟德爾的性狀分離與自由組合定律奧地利牧師孟德爾從22種豌豆株系中挑選出7個特殊的性狀（每一個性狀都能區分為顯性與隱形兩種形式），進行了為期8年的一系列雜交試驗，提出了著名的3：1比例（圖3），並於1866年正式發表在布隆自然歷史學會的雜誌上，可惜宛如石沉大海，學術界對此毫無反響。在30多年之後，它才被德國植物遺傳學家科靈斯（Carl Erich Correns，1864－1933）重新發現，並總結成兩個定律—「性狀分離定律」和「自由組合定律」。 接著人們發現，基因也不是總會獨立分離的（連鎖現象），多個基因可以同時影響一個性狀（多等位基因），等等。

圖3 孟德爾表示3與1之比的雜交試驗圖解。圖解了兩個具有不同性狀豌豆株系的雜交結果，在AA或Aa基因型的個體中都表現出顯性性狀（紅色實心），隱形性狀只在具有aa基因型的個體中（藍色空心）才表現出來數十年之後，英國數學家哈迪（Hardy G H）和德國醫生溫伯格（Weinberg W）對孟德爾的遺傳定律賦予了群體遺傳學的含義，他們假定在一個隨機交配群體（滿足群體無限大，沒有突變、選擇、遷移和遺傳漂變等條件）中，等位基因A和a的頻率分別為p和q，則基因型AA、Aa和aa的頻率分別為p2，2pq和q2，這被稱為哈迪—溫伯格定律（Hardy－Weinberg Law）（式1）。但不過是孟德爾遺傳定律的複述而已，只是添加了一些理想的前提條件。(p+q)2 = p2 + 2pq + q2 1孟德爾定律並未涉及基因變異如何產生，但它卻試圖說明變異的性狀或遺傳因子（現稱為基因）如何能在群體中保持穩定而不至於被稀釋的機制（正如魏斯曼所稱，遺傳是「剛性的」）。當然，該定律表明遺傳因子的隨機組合能產生多樣的表型。將孟德爾定律改頭換面得來的所謂哈迪—溫伯格定律被奉為群體遺傳學的重要基礎。8. 對種內個體間表型變異之疑惑早在古希臘時期，亞里士多德在《論動物生成》中就曾說，「有些子代相似於親本，有些則不相似；無論在整個軀體方面還是在各個部分方面，某些子代相似於父親，有些則相似於母親，它們相似於親本勝過相似於遠祖，相似於前輩勝過相似於隨便什麼人……」（亞里士多德1997b）。公元六世紀前，我國古代農學家賈思勰在《齊民要術·種穀》中說，「凡谷成熟有早晚，苗稈有高下，收實有多少，質性有強弱，米味有美惡，粒實有息耗」，這是對生物變異的記載（汪子春和陳寶綽1997）。達爾文曾說，「在同一父母的後代中出現的許多微小差異，或者在同一局限區域內棲息的同種諸個體中所觀察到的、而且可以設想也是在同一父母的後代中所發生的許多微小差異，都可叫做個體差異」，這種個體差異「常常是能夠遺傳的」，「為自然選擇提供了材料，供它作用和積累，就像人類在家養生物里朝著一定方向積累個體差異一樣」（Darwin 1859）。杜布贊斯基（1964）說，「經驗證明，我們所遇到的每個人都和以前所曾遇到的不同。每一個人都是獨特的，與現時生存的或已死的人都有所不同。人以外的其他生物個體，大致也是如此。個體的獨特性和不可重複性，主要是屬於哲學家和藝術家所研究的範疇」。這顯露了他對有性生殖群體變異性的認識迷茫。他還說，「每一個體在有些方面象它的親體，而在另一些方面則又並不象。每一物種的後代都象它的前代，但絕不是前代的重版」。邁爾（2009）說，「變異—即個體的獨特性—是每一個有性生殖物種的特徵……變異性不僅影響到可見的性狀，而且影響到生理特徵、行為模式和生態習性（比如適應於某種氣候條件）和分子模式，所有這些又支持了無論從哪個方面看每一個個體都是獨特的這一結論」。這簡直就是一種語義循環！邁爾接著說，「有性生殖群體中的變異有兩個來源，彼此相互強化：基因型的變異（因為在有性別的物種中沒有兩個個體在遺傳上是一樣的）和表現型的變異（因為每一個基因型都有自己的反應基準）」。在遠古，人們就已朦朧地意識到，表型取決於父本與母本遺傳因素之角力。艾修斯在《哲學家意見集成》（第5卷）中說，恩培多克勒（公元前490年－前430年）認為，子女同父親或母親形貌相似與否，這取決於在生殖中，「種子里父方或母方的因素孰佔優勢」，這可能是最早的遺傳思想萌芽（汪子嵩等1997）。這與現代基因理論中決定表型的顯性與隱性基因理論頗為吻合。遺傳變異是生殖之目的？自魏斯曼以來，人們普遍相信有性生殖是為了產生遺傳變異，認為這些變異可以滿足未來的適應需求。如威廉斯（2001）說，「產生多樣的而不是一致的後代，正是這種生殖的最終目標」。赫胥黎堅持認為有性生殖中的異型雜交是以犧牲適應的精確性作為代價的，但是它帶來的變異卻有益於該種群去滿足未來的可能需要；Stebbins認為，在高等植物的有性生殖過程中系統發育的變異可能與滿足進化可塑性的要求有關（威廉斯2001）。9. 種內個體在分子水平亦存在高度變異個體的獨特性主要源自物種內等位基因的雜合性（即位於一對同源染色體的相同位置上控制著相對性狀的一對基因各不相同）。可用雜合體的頻率來評價雜合性，而當考察多個位點時，則可用平均雜合性來表示。雜合性亦稱為多態性，而多態性不一定就是雜合性，因為它可針對更多的水平，如基因多態性（包括DNA片段長度多態性、 DNA重複序列多態性、單核苷酸多態性等）、酶多態性和性狀多態性，等等。在實用上，通常將多態性位點定義為最共同的等位基因頻率低於0.99的位點，否則位點就是單態的（Falconer and Mackay 2000）。Ford（1965）將遺傳多態現象定義為一個物種的兩個或兩個以上的不連續類型同時存在在同一生境中，並具有這樣的比例，從而使它們中數量最少的類型也不可能單單依靠重複突變保持存在。與達爾文時代人們只能通過表型來感知變異不同，現在人們能在肉眼不可見的分子水平去刻畫變異，即同一個物種的個體之間在分子水平亦存在高度變異性。巴頓等（2010）聲稱，「進化生物學的一個重要發現是群體中存在的高度變異。蛋白質測序技術及電泳分離蛋白質技術的發展為證明分子水平上存在變異提供了證據。幾乎所有的群體都隱藏著大量的遺傳變異。例如，任意選定二個人的基因組，經過DNA序列分析就會發現有230萬個不同的位點，在表達的蛋白質序列中有近1.1萬個氨基酸的差異……在果蠅和人中大概有1/3的酶是多態的，也就是說不止一個等位基因，並且在一個隨機選定的個體中的任意一個基因都有5%-10%的雜合子概率」。通過電泳發現，在哺乳動物中19%的蛋白質具有多態性，在果蠅中為48%，而在大腸桿菌中可達90%；對所有等位酶位點做個平均，哺乳動物有4.1%的遺傳多樣性（用H值表示，即期望雜合度，H=1-ΣiPi2，Pi為第i個等位基因的頻率），果蠅為12%，大腸桿菌是47%；而一個特定單核苷酸位點的雜合子概率（π），在人類中π～0.0008，但在黑腹果蠅中會高一個數量級，π～0.01；因此核苷酸多樣性在原核生物中最高，單細胞真核生物次之，最低的是多細胞真核生物，即基因組越大基因越多的物種趨向更低的多態性（圖4）。不難看出，基因核酸位點的多樣性要比對應的整個蛋白質的多樣性小得多，因為蛋白質是由數百個核苷酸編碼的，它們多樣的組合顯然產生了豐富得多的蛋白質的多樣性。此外，有性生殖物種並未像人們期待的那樣具有更多的遺傳變異性。

圖4（A）各類物種的核苷酸多樣性π值；（B）基因組越大的生物趨向含有更多的基因，它們也趨向種類多樣性的降低。細菌和古生菌的數據用藍色表示（引自Lynch and Conery 2003，巴頓等2010）杜布贊斯基（1964）認為所有的孟德爾式群體多少均是多態的，他說，「在有性生殖和異交的生物中，具有時間空間性質的實體就是個體和孟德爾式群體。每個個體攜帶著一個基因集合體，它不能在別的個體中同樣地找到。每個群體有一個基因庫(Gene pool)，個體的基因即由此而來，而同時又往往回到其中……表面地想來，多數物種的自然群體似乎含有著正常的或野生型個體，其中散布著由突變來源的畸變體。但仔細的研究證明，野生型仍不過是一個假定而已。所謂『正常』的個體，其實也是異質的基因型集合體；不過它們的一般性質，對於普通的環境均具有相當的適應性。一旦當它們的異質性表現得使人注目時，或者用一些方法易於測覺時，它們就被稱為是多態現象了」。Falconer和Mackay（2000）曾說，「從一個世代傳遞到下一世代的基因是親代基因的一個樣本。因此，連續世代的基因頻率存在抽樣變異，而且親本數量越小，抽樣變異就越大」。如果理解了物種保存變異的本質，就不會有這樣的曲解。一般來說，群體越大，遺傳多樣性越高。但也有研究指出，生活在遙遠且生境特化的島嶼上的幾種夏威夷果蠅與分布廣泛、數量很大的果蠅物種，如黑腹果蠅，幾乎具有同樣多的等位酶變異；此外，從單細胞原核生物到大的哺乳動物，核苷酸多樣性降低為原來的1/100，而群體大小則變化更大（巴頓等2010）。筆者認為，這要看你如何抽樣來代表整個物種，如果難以做到按群體數量的比例來檢測的話，誤差難免。此外，酶的種類眾多，並不是所有的種類都會同等顯著的變化（譬如，功能越重要，選擇壓力就越大，能保留的變異就越少），且能同時檢測出的酶的種類也是十分有限的。10. 為何存在雜合性？對二倍體生物來說，每個細胞中的DNA是雙份的，一份來自父本，一份來自母本，控制一個性狀的等位基因既有相同的，也有不同的，前者稱為純合的，後者稱為雜合的。為了解釋為何存在雜合性，人們提出了各種各樣的假說，其中，多數主張雜合性的優勢，而只有少數主張純合性的優勢（經典假說），而中性理論認為雜合性僅是隨機漂變的結果而與適應無關。(a) 超顯性假說超顯性假說（Overdominance hypothesis）是指一對等位基因在異型合子（Heterozygote）中的表現型或生理功能超出其任一同型合子的現象，譬如，假設A與a是一對等位基因，若基因型為Aa的個體的表現型比基因型為AA或aa更突出，則稱基因型Aa具有「超顯性」。這一假說由Edward M. East 和George Shull分別獨立地提出（East 1908，Shull 1908）。這種雜種優勢可能由於：①兩個等位基因各自編碼一種蛋白質，這兩種蛋白質的相互作用的結果，比各自獨立存在更有利於個體的生存；或者②兩個雜合等位基因所編碼的多肽結合成為活力高於相同亞基所形成的蛋白質。Falconer and Mackay（2000）感嘆道，「雜合體優勢是對多態性的一種有吸引力的解釋。充分證實這種情況是困難的……」。但在筆者看來，有些性狀雜合體具有優勢，而另一些性狀則未必如此，因此，雜合與純合談不上誰具有絕對優勢，它們不過是一些隨機或偶然事件被保存下來的結果。(b) 遺傳自我調節假說Lerner（1954）認為，孟德爾群體（即繁殖群體）具有自我平衡的性質，傾向於保持一種能產生最大平均適合度的遺傳組成，而要達到這一點最可能的機制是雜合體的有利性，即對個體正常發育來說，需要一定水平的雜合性。Ford（1965）聲稱，遺傳多態現象最後常由雜合有利性所保持，雜合有利性傾向於進化到多態現象，雜合體具有的僅僅是有利性，它優於純合體，因為純合體有利性和不利性兩者都有。(c) 經典假說Muller就是經典假說（classical hypothesis）的倡導者。據Dobzhansky（1955）介紹，經典假說認為進化變異是由更有利的等位基因取代較少有利的等位基因的逐漸替代和最終固定所組成，大多數個體應該在大多數基因上是純合的，雜合的座位將是稀少的。雜合性的主要來源有：a）有害突變由自然選擇將其在一定數量的世代中淘汰掉；b）適應中性突變；c）適應多態現象，由環境的多樣性保持；d）稀有的好突變，處在群體中擴散的過程中。(d) 平衡假說Dobzhansky（1955）提出所謂平衡假說（balance hypothesis），認為適應規範是在一些等位基因上雜合的基因型的系列，這些等位基因的純合體僅在正常的雜交群體的少數個體中存在，並且在適合度上低於雜合體，然後將會出現有利於在許多座位上發展復等位基因系列的選擇壓力。Kimura（1983）認為Dobzhansky的平衡假說非常類似於Lerner主張的遺傳自我調節假說。杜布贊斯基（1964）認為，「一個單一的基因型，無論它怎樣地多能，總不能在所有的環鏡中都可盡其最高的效率。所以自然選擇保持了各種各樣的基因型，它們或多或少是專化的，致使有機體只有在生活環境的一定範圍內才是適宜的」。Dobzhansky還談到「多樣化選擇」，作為平衡選擇的一種形式，並說某種平衡的多態現象是由這樣的選擇保持的，根據他的看法，這一名詞是「歧化選擇」的同義詞，發生在不同基因型於不同生態位中有利的時候；而木村認為，這種類型的選擇並不必定導致平衡的多態現象，而是常常必須滿足特殊的條件才能保持多態現象（Dobzhansky 1965，1970，Maynard Smith和Hoekstra 1980，Kimura 1983）。（e）中性學說1968 年，日本遺傳學家木村資生提出了分子進化的中性理論（Neutral theory），也稱為中性突變的隨機漂變理論，認為蛋白質和DNA水平上的大多數變異是由選擇中性的或近於中性的突變的隨機漂變造成的，大多數多態等位基因是由突變輸入和隨機消亡而保持在一個物種之中的。中性學說把蛋白質和DNA的多態現象看成是分子進化中的一個過渡階段，並拒絕承認這樣的說法：大多數這樣的多態現象是適應的，並通過某種形式的平衡選擇保存在物種內（Kimura 1983）。筆者認為，分子變異與表型之間的聯繫其實是十分複雜的，非編碼蛋白並不一定對錶型毫無作用，因此難以一概而論。即使不言木村的說法過於武斷，但如何證實這樣的推論依然還面臨巨大的挑戰。（f）生態假說一些學者從外部（生態）環境選擇的視角也提出了很多假說，認為遺傳變異性和環境因素之間應該存在一定的相關性：（a）生態位—變異假說：不穩定環境中的遺傳變異性應該高於穩定性環境中的（Levins 1968）；（b）營養資源穩定性假說：如果食物供應是豐富而穩定的，那麼物種最好的策略是具有對不同食物特化的等位基因變異體，因此可預測有高的遺傳變異性；另一方面，如果食物供應是不可預知的，那麼可預測有遺傳均一性，因為最好的策略是具有通用性的基因（Valentine 1976）；（c）其它假說：生活在隨時間而變化的環境中的物種，或者各個個體的生活範圍是廣闊的多種環境，功能上靈活的等位基因是有利的；在更為極端的情況下，這些物種最靈活的等位基因趨向於單態（Ayala and Valentine 1979）。或者說，一個群體中的個體所經歷的環境不是穩定不變的，它在各個地方不同並且隨時間而變化，如果一個等位基因在一個環境中是有利的，另一個等位基因在不同環境中是有利的，那麼雜合體不必處於平均優勢也會產生穩定的多態性（Falconer and Mackay 2000）。Kimura（1983）抨擊道：「這些假設各種適應策略的生態理論是如此靈活，以至於任何觀察到的遺傳變異性都可以用它們中的某種假說（或者發明更多的）加以解釋」。當然，這些假說都能找到例外。木村認為，核苷酸代換是分子水平上最常發生的進化變異（Kimura 1983），筆者認為，這固然沒錯，但並不能取代對其它生命層次上的進化變異的探討。正如杜布贊斯基（1964）所說，「變異的產生取決於生物本身的結構，而這種結構自然是一個歷史的、進化的過程，而環境在這過程中是起了部分作用的。歷史過程的本身，即把遺傳性變異塑造成族、種、屬和其他複合體，便是以環境通過自然達擇作為條件的」。這似乎是在闡述生物的變異與自身體制與環境均有關係，而且還會帶上演化歷史的烙印。木村曾說，「保持分子水平上的如以蛋白質多態現象的形式表現出來的遺傳變異性的機制是什麼？這是目前群體遺傳學所面臨的突出問題」（Kimura 1983）。筆者認為，如果知道了有性生殖物種變異保存的方式，這又有何值得奇怪的呢？本來一個不那麼複雜的遺傳異質性或多態現象，卻催生出五花八門的假說，還有莫名其妙的爭議，是一個將簡單問題複雜化的典型！試問，如果純合是致命的，那高等植物的近交或自交為何還那麼普遍（謝平2013）？為何有些物種還主要以單倍體的形式而存在？筆者認為，上述關於雜合性的各種假說都只反映了事物的某個側面或某種情況。對一個具有成千上萬個基因的物種來說，有些位點是純合的，而另一些位點是雜合的，有些性狀以純合體具有優勢，另一些性狀則是以雜合體佔有優勢，這不足為奇，因為這在很大程度上，取決於有機體內複雜的生化調控及其對外界生存環境的頗為隨機的響應。從方向上來看，有些位點可能會走向純合，而另一些則可能保持雜合。在雜合體中，有些可能在某種生存環境中具有優勢，另一些可能在另外的環境中具有優勢，有些可能是與適應性關係不大的隨機漂變。還有，即便是同樣的性狀，純合與雜合的生存意義在物種之間也可能截然不同。此外，一種性狀（等位基因）對一個物種是優勢，而對另一個物種可能是劣勢，如白色毛髮對生活在冰天雪地的北極熊是優勢，但對生活在叢林中的棕熊來說就是一種災難（圖5）。

圖5 棕熊（Ursus arctos）和北極熊（Ursusmaritimus）（來源：百度圖片）筆者認為，從本質上來看，等位基因最終是通過一定的生化途徑來實現影響的，而對一個特定性狀來說，一個個體中的來自父本和母本的等位基因，無論同質（純合）還是異質（雜合），都有可能是強化的，或不變的，或削弱的，這種強化或弱化既可帶來競爭優勢，也可能是致命性的。因此，不可能存在所謂普適性的雜合體優勢或純合體劣勢，也不能認為雜合性與任何適應性無關……那些將少數特例上升為普適性規律的做法十分荒謬，對基因雜合優劣勢的評判離不開它的載體及其所處的生存環境!11. 因果關係之顛倒據威廉斯（2001）記載，「勒納（Lerner）認為，隨著環境的改變而變得重要的變異『儲備』是位於這些基因座位之中，它們具有客觀的、不止一個的等位基因頻率，並且這些雜合體還表現出可以覺察的雜種優勢。多個等位基因的存在是被雜合體的優勢而不是被突變壓力所維持……雜合性作為種群適應自有其價值，它或者表現為對於改變的環境有迅速做出反應的能力，或者表現為對於長遠的改變有所準備，或者以任何其他的方式來得到表現」。杜布贊斯基（1964）說，「假如環境是絕對地永恆不變的話，則人們可以臆想一些理想的基因型的形成，其每一個基因型可完全地適應於這個環境中的生態龕。在這樣靜態的世界中，進化就算完成了它的任務而停止不前；突變過程排除了，從此也就不再有什麼進步了。然而實際的世界並不是靜態的。現在完全適應的物種，如果在它需要的時候沒有遺傳的變異性可以使用的話，可以被環境的改變所毀滅。根據環境變化的性質和速度，同時根據物種繁殖的生理，無論較大的或是較小的突變能力，都將是有利的。潛在變異性的儲存及其實現的速度，是由自然選擇所控制的」。有性生殖物種的變異性常被認為是物種應對不斷變化著的生存環境的一種適應性優勢。雜交也是一種遠交，而雜種優勢也是一個常常被提及的問題。據威廉斯（2001）記載，安德森（Anderson）提出，自然的雜交，即使是非常稀少並且所帶來的後代通常是不可存活的或不育時，它乃是進化性改變的一種重要原因。筆者認為這還有一定道理。試問，假如雜種具有絕對的優勢，那種的存在還可能嗎？Muller（1949）曾說，「必須記住在大多數自然雜交群體中，已經發生變異的大量積累。這些突變是在以往的幾百個世代中產生的，但還沒有在群體中確立，而且群體在有關這方面仍然是雜合的。因此，在群體中這個性狀還有相當大量的遺傳變異性，在實際上任何方向內都具有對選擇做出反應的可塑性，而這又是不管突變在任何一個基因中特別稀少這一事實的」。筆者認為，從有性生殖的本質來看，多樣的適應性作為等位基因保存在物種的基因庫中，也因此而保存了多樣的應對環境的能力，並不僅僅為了未來，也包括現在！這不過是一種對變異的群體性保存方式而已。從理論上來說，雜合性也並不可能意味在任何環境中都會具有絕對的優勢。此外，如果遺傳變異對物種是如此的有利，那物種就應該放縱變異，而事實似乎並非如此。譬如，HIV（人類免疫缺陷型病毒）有很小的單鏈RNA基因組，它的突變速率特別高，比人類細胞DNA複製的突變速率高近100萬倍，而這種高出錯率部分是因為缺少RNA聚合酶和逆轉錄酶的校正功能，另外就是修復單鏈多聚核苷酸的困難（巴頓等2010）。這說明，真核生物運用校正與錯配修復手段以控制DNA的出錯率，而依然留下極其稀少的錯誤實屬一種無奈之舉，因為糾錯亦需要能量與時間成本。因此，物種既努力維持自身的同質性，又無法根除變異性，而殘留下來的變異性（也稱之為雜合性）還能為種族儲備更多的應對環境變化的能力。12. 個體變異性的本質生命形式從來不會有精確無誤的重複，即使是同一個物種，其個體間的差異是絕對存在的，既相似又不完全相似！迄今為止，人們並未認清有性生殖物種個體變異性的本質，竟然沒有意識到這其實只是有性生殖物種保存變異的一種方式。每個體細胞都是兩套DNA的混合體。一個物種的遺傳信息都保存在DNA鏈之中，每一個體都保存有兩套DNA，一套來自父本（精子），一套來自母本（卵子），精子和卵子融合而成的受精卵（合子）為二倍體。每個個體的體細胞均是二倍體，而精子和卵子為單倍體。兩套親本基因的組合物稱之為基因組或基因型。一套完整的遺傳信息被支解在數目不等的染色體之中。DNA鏈在細胞分裂期形成圓柱狀或桿狀的形態，稱為染色體，如人體內的每個細胞內都有23對染色體（46條），其中一半（23條）來自父親，另一半（23條）來自母親。雙親的染色體並不融合，而是保持分離。配子形成時，父母本的非同源染色體隨機地組合。在減數分裂產生配子時，伴隨著等位基因的分離，非同源染色體上的基因表現為自由組合，即一對染色體上的等位基因與另一對染色體上的等位基因的分離或組合是彼此間互不干擾的，各自獨立地分配到配子中去，也稱之為自由組合規律(law of independent assortment)。減數分裂時，父母本的同源染色體通過聯會與交換而重組。在減數分裂I期（圖6），染色體複製後，同源染色體進行配對，並發生聯會，使父母本的同源染色體之間交換片段，即所謂的同源重組，其結果是產生由兩個親本DNA片段混合而形成重組染色體。但是，為何在減數分裂I中分別來自父本和母本的同源染色體會緊密地粘附在一起並進行染色體片段的交換？這依然是一個未解之謎。其結果，減數分裂後的每一條新的染色體都是母本和父本基因的新組合。由於基因的數目龐大，這種重組能產生幾乎無限的組合，因此，變異的潛力是無窮的！

圖6 減數分裂和有絲分裂的比較（引自Raven and Johnson 2002）巴頓等（2010）認為，「對大多數真核生物，減數分裂過程中的重組是生命周期的必需部分」，但筆者認為，導致重組的奇妙染色體行為或許僅僅就是個偶然，只是受到了自然選擇的青睞而已。當然，遺傳物質的重組也不僅僅限於減數分裂。有絲分裂期間也會發生一定程度的重組，這樣的重組事件對單細胞生物或是多細胞生物的生殖細胞來說，也具有與減數分裂類似的遺傳效應。此外，細菌還可以通過類似於有性生殖的不同細胞之間的「交配」來實現遺傳重組。複製錯誤和環境誘變。DNA的複雜並非絕對準確，也會以一定的概率出現錯誤。正如美國進化生物學家GeorgeC. Williams所言，「無論基因可能是什麼，它總是世俗世界的一部分，因此在其自我複製或者其他功能方面，就不會是完美的。它的偶然改變在物理上是不可避免的」（威廉斯2001）。此外，DNA結構也會被環境所誘變，譬如暴露於γ射線、氧自由基等。生物還可將遺傳物質傳遞給非其子代的細胞。通過病毒等介導的不同物種（甚至親緣關係很遠）之間的水平基因轉移（horizontal gene transfer，簡稱HGT）對遺傳重組或變異可能也具有重要意義，因為它能在很大的進化範圍內發生，因此可能給某個物種帶來一個嶄新的基因，而不僅僅是一個新的等位基因。當然，HGT對不同種類的原核細菌（包括古菌）之間遺傳物質的交流之意義可能更為重要。為何難以找出兩個一模一樣的個體？這是因為：①任何一個個體都有兩套絕不會完全一致的DNA鏈；②理論上來說，任一套DNA（無論來自父本還是母本）都應該擁有一套完整的遺傳指令，都應該能獨立地指導個體的發育，但事實卻是，表型取決於這兩套DNA之間的相互作用（即所謂的顯性與隱性）；③在物種的遺傳指令中，保存了表型對一定環境變化的可塑性調整，而任意兩個個體體驗的生存環境也難以做到絕對的一致。事實上每個性狀（表型）都是在一定的環境背景下父母本等位基因相互作用的結果。一般來說，如果這一等位基因相同，就稱之為純合子，如果不同就稱為雜合子（如果在一個物種中，同一個座位上有兩個以上的不同基因，則稱為復等位基因）。蘊藏在DNA鏈中的物種的遺傳信息就是這樣在雌、雄配子的形成與結合中進行傳遞，但不是原封不動，而是伴隨著不斷的組合、交換、變異、轉移，等等。因此，即使在一個個體的配子（單倍體）中，也難以找出兩套一模一樣的基因組！有性生殖物種的基因分散地存在於個體的基因組之中，彙集而成物種的基因庫（基因通過個體的生殖而混合與流動），每個個體的基因型都是兩套獨特的DNA（分別來自父本和母本）的組合，其表型就是這兩套總會或多或少存在差異的DNA鏈之間相互作用的結果，加上每個個體生存的環境也會存在差異，也會影響到表型的發育結果。因此，同一個物種絕不會存在兩個一模一樣的個體。巴頓等（2010）指出，「生物性狀通常是正態分布的這種經驗暗示這些生物性狀是由許多遺傳和影響每個個體的環境擾動的效應之和。這個簡單的加性模型是數量遺傳學的基礎」。但不要忽視一個有性生殖物種任何兩個個體的基因組不可能絕對一致這一事實，而性狀的差異反映了這種遺傳本質與環境效應之和。一個物種基因型（因此表型）的多樣性是由諸多的因素所決定的，但根本取決於個體的生存，而這又受制於個體的生存環境，也延綿於種族的演化歷史。理論上來說，假如一個物種的所有基因座位上都只允許一種基因（一種表型）存在，那我們就能發現彼此間相當一致的個體表型，但這實際上是不可能的，而在形態結構複雜的生物物種中更是絕不可能。在一個物種中個體之間的變異被賦予了各種「堂而皇之」的理由，如為了適應不斷變化的生存環境，等等。譬如，Cox and Moore（2007）指出，個體之間的「這些差異為什麼存在呢？為什麼每個物種不能就環境對它的要求進化成劃一的、完全合乎環境要求的類型呢？例如，那時一個植物物種所有的花將是精確地同一種顏色，而每一隻麻雀將精確地有同一大小和形狀的喙。這樣一種簡單的解決方案是不可能的，因為環境的要求既不穩定也不統一。條件處處、天天、季季不同。任何單一的類型都不能很好地適應所有這些變化著的條件」。依筆者之見，這其實不過是有性生殖物種保存遺傳變異的一種操作方式，雖然其結果是保存了物種適應不同生存環境的能力，但這不是原因，而是結果！總之，只要一個物種的群體不處在衰退之中，它的基因庫就會彙集日益增多的變異，而不論緣於何種契機，它終究會分裂出新的獨立的基因庫（以生殖隔離為標誌），因此而迎接新物種的誕生。從繁殖群體的角度來看，更多的雜合性的確可提供應對更多樣環境的適應能力，但對均一性環境中的生存來說就未必如此。此外，任何一個物種的基因庫也不可能容納無限的變異，假若真是如此的話，就不會有物種的分化了！來源：謝平. 2016. 進化理論之審讀與重塑. 北京：科學出版社轉載本文請聯繫原作者獲取授權，同時請註明本文來自謝平科學網博客。鏈接地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-1475614-1035699.html 上一篇：自然選擇：誰選擇？為何選擇？選擇什麼？下一篇：《撥開經典的迷霧，袒露大腦的秘密》目錄
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