科學家發現生物界的「相對論」，可能重新理清生物進化時間線

「究竟是我們工具的局限性，還是我們忽略了什麼？如果我們能弄清楚這個過程，將大大加深我們對進化的了解。」

上世紀50年代，芬蘭生物學家比約恩·庫爾滕（Bj?rn Kurtén）發現，在他研究的馬化石中，有一種異乎尋常的現象。當他對比只相隔了幾代的馬骨形狀時，發現了很多細微但重要的變化。而相隔數百萬年的馬骨，表現出來的形態差異卻要少得多。隨後半個世紀的研究發現了類似的現象：當科學家用更短的時間跨度來對化石進行觀察比對時，發現生物的進化速度似乎比過去所認為的更快。

2005年前後，悉尼大學進化生物學家西蒙·何（Simon Ho）在他研究的基因組中，發現了類似的現象。他在計算鳥類和靈長類動物的DNA突變在數千年內的積累速度時發現，基因組充斥著細微的突變。這說明，「進化鍾」在快速轉動。但當他著眼於更長的歷史跨度，對相隔數百萬年的DNA序列進行比較時，結果卻截然不同：「進化鍾」的速度慢如龜爬。

這使西蒙十分困惑，於是，他試圖找出背後的原因。他偶然得知了庫爾滕在1959年的研究，他意識到，生物形態變化速率的那種差異在基因序列中同樣存在。

作為進化生物學家，直覺告訴他，他發現的短期突變速率是正確的。基因組只在少數幾個地方有所不同，但每個突變就像是在白色牆壁上潑一片油漆那麼明顯。

而如果牆上出現更多的油漆，新潑的油漆會逐漸遮蓋原來的牆壁顏色。類似的道理，進化和自然選擇也會覆蓋掉原先在短期內曾經出現的突變。在數百萬年的時間裡，DNA中的一個A可能變成T，但在這個過程中，它可能變成過C，也變成過G。西蒙認為，這種突變飽和是進化速率隨時間改變（他稱之為時間相關速率現象）的主要原因。

悉尼大學進化生物學家西蒙·何發現，進化速度並非一成不變。

「這好比股市。」他說。看看標普500指數在一天或者一小時之內的波動，它顯得非常不穩定，起伏劇烈。但在更長的時間段內，股市看上去就要穩定得多，因為每天的變化開始向平均水平靠攏。同樣，隨著時間的推移，自然選擇的力量會逐漸淘汰那些對生物體不利的突變。

對生物學家來說，在基因組中發現時間相關速率現象，具有重大意義。這意味著，在解讀生命進化過程時——從幾十億年前真核細胞和原核生物的首次分裂，到2014年埃博拉病毒的再次出現——生物學家用來作為標記的許多時間點，可能都是錯的。「當這一發現公布時，所有人都驚呆了。」澳大利亞國立大學進化生物學家羅布·蘭菲爾（Rob Lanfear）說。

一開始，時間相關速率現象並沒有被完全認可。首先，這是一個意義重大的概念，生物學家需要時間來思考。但更大的阻礙在於，這一概念幾乎不可能得到應用。生物學家無法完全確定，他們應該在多大程度上改變他們在整個進化史中，對進化事件所發生時間的估計。如果沒有一種具體可行的方法來計算進化速率的變化，科學家就無法對時間點進行比較。

近日，牛津大學古生物病毒學家阿里斯·卡祖拉奇斯（Aris Katzourakis）將時間相關速率現象運用到了病毒進化的研究中。他不僅把某種逆轉錄病毒的起源時間回溯至大約5億年前（遠早於動物首次從海洋登上陸地的時間），而且還建立了一個數學模型，用來分析時間相關速率現象，從而讓生物學家可以更加準確地估計進化事件的發生時間。

美好的前景令其他科學家激動不已。「這就像愛因斯坦的相對論，只不過是在病毒領域。」墨爾本大學計算進化生物學家塞巴斯蒂安·杜赫（Sebastián Duchêne）說。根據時間相關速率現象，生物的進化速度取決於觀察者所著眼的時間範圍。就像有了相對論一樣，現在，生物學家知道該如何調整他們對進化時間點的估計了。

尋找病毒化石

卡祖拉奇斯的主要工作是確定艾滋病病毒（HIV）和其他逆轉錄病毒的起源。逆轉錄病毒由單鏈核糖核酸（RNA）組成。

他在研究HIV的突變速率時發現，它是進化速度最快的已知病毒之一。其快速突變是有原因的：像DNA這樣的雙鏈分子擁有分子校對機制，常常可以糾正複製過程中產生的錯誤，但HIV和其他單鏈RNA病毒卻沒有。錯誤只會導致錯上加錯。

因此，病毒學家只能直接研究這類病毒的近期歷史。時間更久遠的樣本已經達到突變飽和，積累的錯誤太多，科學家無法一一解釋清楚。將逆轉錄病毒的歷史往前推幾千年或幾百萬年，這需要一種不同的方法來計算突變速率。

卡祖拉奇斯採用了另一種方法。他在宿主的DNA內尋找類似於病毒化石的東西。逆轉錄病毒常常把它們的基因副本插入宿主的細胞。大多數時候，DNA上的信息會隨著宿主的死亡而消失。不過，偶爾會有一個逆轉錄病毒在進化的道路上運氣爆棚，溜進精子或卵細胞的基因組。在宿主的DNA中安全定居後，那個病毒就會一代一代傳下去。

卡祖拉奇斯就是利用這些病毒殘骸來研究逆轉錄病毒的古老起源。在此過程中，他有了一個意外的發現：逆轉錄病毒的長期進化速率似乎大幅放緩，幾乎與人類和其他複雜生物體相當。複雜生物體擁有校對機制，其進化速率理應比逆轉錄病毒慢得多。

如果病毒的進化速度比科學家料想的要慢得多，這可能意味著，這些病毒比科學家預計的要古老得多。畢竟，與進化較快的病毒相比，進化較慢的病毒需要更長時間才能達到同樣的進化程度。

於是，他開始尋找逆轉錄病毒的準確起源時間。他研究了一類最古老的逆轉錄病毒，也就是泡沫病毒，猴子、牛等許多種動物都會感染這種病毒。通過這種方式，卡祖拉奇斯可以校準「進化鍾」，以確定泡沫病毒出現的確切時間。如果兩個物種擁有相同的泡沫病毒基因序列，那麼在這兩個物種分化之前，泡沫病毒肯定已感染了它們共同的祖先。

「如此一來，我們就可以得知遠古進化事件的發生時間，而這種方法不依賴於基因序列本身。」卡祖拉奇斯說。

牛津大學古生物病毒學家阿里斯·卡祖拉奇斯把一類病毒的起源時間推回到了約5億年前，遠早於動物首次從海洋遷徙至陸地的時間。

此前，研究人員已逐漸把泡沫病毒的起源時間回溯至1億年前。但卡祖拉奇斯發現，有跡象顯示，泡沫病毒感染爬行動物、兩棲動物甚至魚類的歷史遠遠超過1億年。但1億年這個時間已被廣泛認可，想要證明逆轉錄病毒的歷史不止1億年，卡祖拉奇斯必須確定泡沫病毒的起源時間才行。

他查閱了西蒙關於時間相關速率現象的論文，想知道如何將它應用到病毒研究中。他還想建立一個通用模型，讓研究人員輸入他們觀察的時間範圍，便可得到生物進化速率的相關細節。

為了確定進化速率如何隨不同的時間範圍而改變，卡祖拉奇斯和他的學生帕坤·埃尤薩昆（Pakorn Aiewsakun）嘗試了四種不同的方法。他們發現，一個冪律衰減模型最符合他們的數據。該模型顯示，進化速率隨著時間範圍擴大而以指數方式減小。隨後一項對396種病毒的研究顯示，幾乎所有基因組類型和複製策略的進化速率都以相同的速度放緩。現有的「進化鍾」沒有考慮到時間相關速率現象，因而對古病毒的起源時間判斷有誤，實際上，它們的歷史要古老得多。

然後，卡祖拉奇斯和埃尤薩昆利用新建的數學模型，重新計算泡沫病毒的起源時間。他們發現，泡沫病毒出現於4.6億至5.5億年前。亞利桑那大學病毒學家邁克爾·沃洛貝（Michael Worobey）進行的獨立研究也顯示，這些病毒的起源時間比預想的要早。他們的研究使泡沫病毒成為了所有已知病毒類型中最古老的一種，不過卡祖拉奇斯認為，可能還有比它更古老的病毒。

上述發現的意義遠遠不只是找到了最古老的病毒那麼簡單。關於泡沫病毒的起源時間，兩組科學家得出了相同的結論，這表明，時間相關速率現象不只是統計學的遺珠，也不只是研究人員用來確定物種起源時間的方法。除了這些，卡祖拉奇斯的模型還為研究人員提供了一種工具，以此來確定時間相關速率現象所產生的影響，而這反過來又能幫助我們了解造成這種現象的原因。

從更廣泛的意義上來說，卡祖拉奇斯和西蒙的研究對進化速率保持不變的觀點提出了挑戰。「這改變了我們對分子進化的認知方式。」杜赫說，「它表明，進化速率並非一成不變。即便是同樣的生物，進化速率也會隨時間而改變。」

卡祖拉奇斯說，這還意味著，科學家可能需要重新確定遠古進化事件的發生時間，因為他們可能低估了這些事件的「年齡」。卡祖拉奇斯還想知道，自然選擇和突變飽和所導致的某些突變被刪除，這是否是造成時間相關速率現象的唯一原因，抑或是，有其他因素在這種現象中發揮了作用。

「究竟是我們工具的局限性，還是我們忽略了什麼？如果我們能弄清楚這個過程，將大大加深我們對進化的了解。」卡祖拉奇斯說。

翻譯：于波

來源：Quanta Magazine

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