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marrowstem

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发表于 2013-10-14 19:56 |只看该作者 |倒序浏览 |打印

一、选择主义的历史由来
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      Charles Darwin在其一百五十年前出版的著作On the Origin of Species中（Darwin 1859），明确地提出了自然选择作为生物演化主要驱动力的思想[注1]，认为种群中的个体间存在微小的变异，那些具有适应环境的有利变异的个体将存活并繁殖更多的后代，而具有不利变异的个体将逐渐被淘汰，使得这种微小的变异会在长期的自然选择过程中得到逐渐积累而导致新物种的形成。在此后很长的一段时间里，自然选择学说饱受争议，历尽沧桑。其中一个重要的原因就是在当时，Darwin虽然从动植物培养中知道一个优良的性状是可以被保留下来的，但是他没有找到一套合理的遗传理论来解释自然选择，使得许多生物学家仍然认为一个优良的变异会很快地被众多劣等的变异融合、稀释掉，而无法像自然选择学说所说的那样在后代保存、扩散开来。因此，在Darwin生活的时代，除去神学家之外，自然选择学说还受到了许多来自于其他学者的批评和质疑，以至于Darwin仍然保留了拉马克主义（Lamarkism）中关于获得性遗传的部分思想作为解释其自然选择的补充[注2]。同时期，与达尔文主义（Darwinism）稍有不同的是Alfred Russel Wallace和August Weismann（尤其是后者），他们通过Weismann所做的著名的“小鼠割尾实验”完全否认了拉马克主义获得性遗传的观点，并坚持自然选择是生物演化的唯一驱动力；因此，George Romanes首次使用了“新达尔文主义”（Neo-Darwinism）一词来形容Wallace和Weismann的观点[注3]。; R. w$ I/ U9 b2 Q3 ^  i* K  V$ X
   事实上，在On the Origin of Species一书出版后仅仅六年，Mendel就发现了基因的分离定律和独立分配定律，并于次年发表其关于植物杂交实验的结果（Mendel 1866）。也就是说，生物遗传并不融合，而是以基因为单位分离地传递，随机地组合。因此，只要群体足够大，在没有外来因素（比如自然选择）的影响时，一个遗传性状就不会消失。而在自然选择的作用下，一个优良的基因能够增加其在群体中的频率，并逐渐扩散到整个群体。很显然，孟德尔主义（Mendelism）正是Darwin所需要的遗传理论。遗憾的是，Mendel的发现被当时的科学界完全忽视了。在1900年，也就是在Mendel去世16年后，Mendel的定律被重新发现（Fairbanks and Rytting 2001）。然而，遗传学家们却认为它宣告了达尔文主义的灭亡，在他们看来，随机的基因突变，而不是自然选择，才是生物演化的真正驱动力。其中，影响力最大的来自于Thomas Morgan的突变主义（Mutationism）学说或者称为“突变选择论”（Mutation-selection theory）（Morgan 1925）。该学说反对拉马克主义并贬低了自然选择的创造主导作用，认为生物演化的最主要驱动力是有利突变，而自然选择在对保留有利突变和清除有害突变的挑选中仅仅扮演了一个“滤网”的角色。由于突变遗传学研究的盛行以及Morgan本人的影响力，突变主义学说在Morgan时代盛极一时。然而，突变研究中逐渐积累的实验数据发现，绝大多数的突变都是有害的而不是有利的，因此，Morgan修正了其关于进化的观点，认为：一些既非有利也非有害的突变，能否取代原有性状是随机决定的；而那些反反复复出现的突变将终会取代原有性状。这就是Morgan的中性突变论（neutral mutation）（Morgan 1932）。+ v; ~4 h2 J- A) A) V7 s
   然而，随着20世纪二、三十年代群体遗传学的成形和逐渐发展，在三位数量遗传学家Ronald Fisher，Sewall Wright和John B.S. Haldane的带领下，孟德尔遗传得以和达尔文主义紧密联系（Fisher 1930; Wright 1931; Haldane 1932）。这期间，数量遗传学家们在以群体为模式的研究中发现突变造成的基因频率要远远低于自然选择造成的基因频率，并且自然群体中遗传可变性非常高，以至于原先认为“角色轻微的”自然选择就足以造成遗传变异而无需等待新突变的产生（Nei 1987）。因此，突变主义逐渐被冷落，而强调自然选择为主要演化驱动力的新达尔文主义开始复辟。然而，这些理论研究，涉及到复杂的数学计算，不是一般的生物学家们所能理解的。而且只有理论没有实验，也很难被生物学家们所接受。因此，他们的研究工作，最初对当时的生物学界并没有产生太大的影响。直到Theodosius Dobzhansky的出现，他在1937年发表Genetics and the Origin of Specie一书，在理论上和实验上统一了自然选择学说和孟德尔遗传学（Dobzhansky 1937），对博物学家和实验生物学家都产生了巨大的影响，刺激了各个领域的生物学家投身到进化论的研究当中来。复辟的新达尔文主义在五、六十年代达到了巅峰，以至于当时几乎所有的形态学和生理学特征都被视为受自然选择驱动而演化(Dobzhansky 1951; Mayr 1963)。这种唯选择论的观点也被称为“选择主义”（Selectionism）（Li 1997; Nei 2005）。这一时期占主导地位的进化理论主要包括了以下五点（Huxley 1942; Mayr 1982）：（1）所有的演化现象都可以用已知的遗传机制和所观察到的生物现象来解释；（2）生物演化是渐进的，物种间的不连续性是由于隔离和灭绝造成，而不是跃变；（3）选择是变化产生的主要机制；（4）自然群体中的遗传多样性是生物演化的关键因素；（5）提出了在古生物学中，可以用从微进化到宏进化的推断来解释历史上所观察到的经典生物现象。为区别于Darwin时期的新达尔文主义，这一时期的综合理论也被称之为“现代综合进化论”（Modern Synthetic Theory of Evolution）。0 I7 d, V5 p$ e
   进入20世纪70年代，以Dobzhansky的Genetics of the Evolutionary Process一书的发表（Dobzhansky 1970）为标志，在“现代综合进化论”的基础上，出现了“新综合进化论”（New Synthetic Evolutionism）。新综合进化论也称为分子水平的综合理论，其成就主要表现在对进化的选择机制的研究方面，回答了原来的综合进化论难以解答的问题。在选择机制的研究中，Dobzhansky的工作表明，自然群体中存在着丰富的多态现象。他认为，在杂合态中，自然选择保留了许多有害的甚至是致死的基因，其原因就在于自然界存在着多种不同的选择机制或模式。其中包括消除有害等位基因的“常态化选择”（Normalizing selection），或称为“净化选择”（Purifying selection）；在同一座位上保留不同等位基因的“平衡选择”（Balancing selection）；促使有利突变等位基因频率增加的“定向选择”（Directional selection）。在新综合进化论看来，自然选择的作用单位从现代综合进化论中的物种个体和群体延伸到了个别基因，成为了连接宏进化和微进化的纽带。自然选择不是单纯起“滤网”的作用，而是对不同宏观环境下的产生的变异形成不同的驱动作用。新综合进化论重申了达尔文自然选择学说在生物进化中的主导地位，并用“选择模式”这一新概念解释达尔文进化论中的许多难点，这一理论的创立，丰富和发展了达尔文的自然选择学说，迄今仍具有深远的影响。
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[注1] Alfred Russel Wallace被认为对自然选择的思想具有同等原创性。
[注2] 关于早期其他学派对自然选择的批评见Nei（2005）。
[注3] 对于Weismann“种质论”的评述见Reif et al. 2000。3 i) n; i# |7 c! ^
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   参考文献：
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Dobzhansky T. 1937. Genetics and the origin of species. Columbia University Press, New York.) A* e) n9 {5 ^8 p
Dobzhansky T. 1951. Genetics and the origin of species. 2nd edition. Columbia University Press, New York.8 ?& O. f9 p) R' F! G
Dobzhansky T. 1970. Genetics of the evolutionary process. Columbia University Press, New York.
Fairbanks DJ, Rytting B. 2001. Mendelian controversies: a botanical and historical review. American Journal of Botany. 88:737–752.+ S0 F) n0 C) L! T, ^5 Z
Fisher RA. 1930. Genetical theory of natural selection. Oxford University Press, Oxford.
Haldane JBS. 1932. The causes of evolution. Princeton University Press, Princeton, N.J.8 k- F4 ^. w5 [+ V8 k" a* g2 B
Huxley JS. 1942. Evolution: the modern synthesis. Allen & Unwin, London.6 O. v( `% Y1 R# Z4 f
Li W-H. 1997. Molecular evolution. Sinauer Associates. Sunderland Massachusetts.8 E# N7 k- G; w5 k8 I! Y& Q! E' h
Mayr E. 1963. Animal species and evolution. Harvard University Press, Cambridge.
Mayr E. 1982. The growth of biological thought: diversity, evolution and inheritance. Harvard, Cambs.5 \5 l/ K& c7 h2 ~2 o$ w8 B# {
Mendel G. 1866. Versuche über Plflanzenhybriden Verhandlungen des naturforschenden Vereines in Brünn, Bd. IV für das Jahr, 1865 Abhandlungen:3-47. For the English translation, see: Druery CT and Bateson W. 1901. Experiments in plant hybridization. Journal of the Royal Horticultural Society. 26:1–32.8 u# n/ }  L: j4 b/ _" @6 K3 L) ~
Morgan TH. 1925. Evolution and genetics. Princeton University Press, Princeton, N.J.
Morgan TH. 1932. The scientific basis of evolution. WW Norton, New York.5 K. e8 E2 S4 _  `: ^1 ?0 i, c2 [$ K
Nei M. 1987. Molecular evolutionary genetics. Columbia University Press, New York.
Nei M. 2005. Selectionism and neutralism in molecular evolution. Molecular Biology and Evolution. 22:2318–2342.
Reif W-E, Junker T, Hossfeld U. 2000. The synthetic theory of evolution: general problems and the German contribution to the synthesis. Theory in Biosciences. 119:41–91.
Wright S. 1931. Evolution in Mendelian populations. Genetics. 16:97–159.

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沙发

发表于 2013-10-15 19:13 |只看该作者

二、分子演化中性主义的兴起- ?" ^, m0 H# H: _3 n; D/ K
3 T$ g" \' _) d1 \
   上个世纪六十年代初，一些有趣的研究结果开始引起了群体遗传学家们的注意。首先，物种间的氨基酸替代数与两物种的分歧时间大致形成一定比例的对应关系（Margoliash 1963; Doolittle and Blomback 1964），这与之前Zuckerkandl和Pauling提出的“分子钟”（Molecular clock; Zuckerkandl and Pauling 1962）假说不谋而合；第二，在非重要蛋白质中氨基酸替换速率要高于重要蛋白质中的氨基酸替换速率（Margoliash and Smith 1965; Zuckerkandl and Pauling 1965），这一观察结果与选择主义者提出的“功能上越重要的蛋白进化越快”的观点恰好相反（Hughes 2）；第三，对种间的基因组GC含量的调查发现，很大一部分的变异是来自于ATCG之间的互换，这与自然选择并无必然的联系（Freese1962;Sueoka1962）；第四，1966年，Lewontin和Hubby首次将蛋白质凝胶电泳技术运用于群体遗传学研究，并发现在果蝇中存在大量的多态性等位基因位点，并且平均每一位点约有152），近中性理论最近几年得到了一些最新的观察数据的支持，尤其是Ohta关于瓶颈效应后有效种群大小的放大导致净化选择作用于轻微有害突变的观点。
   在以历史上被认为经历了瓶颈效应的人类（Harpending et al. 1998）为例，人类基因组中非同义（nonsynonymous）的单核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphisms, SNP），与同义（synonymous）的SNP或者内含子区的SNP相比，显示出较低的多样性水平（Freudenberg-Hua et al., 2003; Hughes et al., 2003; Zhao et al., 2003）。这些多样性水平相对较低的非同义突变说明了在经历瓶颈效应后，这些突变正经历着强烈的净化选择。此外，在许多细菌和病毒的编码蛋白位点上也发现了同样的多样性格局（Hughes, 2005, 2007b; Hughes et al., 2007），这些结果都支持了Ohta的近中性理论。
   然而，Hughes曾经的导师Nei并不认同近中性理论。Nei对近中性理论的批驳主要来自于两点：第一，Ohta认为小种群里轻微有害突变被容纳进入中性的范畴而被随机固定，因此基因杂合度或者是基因多样性在小种群里应当相对较高。而Nei的研究表明（Nei 1975），在小种群的脊椎动物中，基因平均杂合度要低于大种群的无脊椎动物。Nei和Graur（1984）对341个物种的数据进行统计后发现，平均杂合度随着群体大小的增加而增加，尤其是在经历了瓶颈效应以后。这与上面提到的Ohta关于瓶颈效应的观点截然相反。第二，Ohta的理论认为如果一个基因里有害突变不断积累，那么这个基因就会逐渐变成有害的并最终失去其原有的功能。一些观察发现（Hartl and Taubes 1998），在核糖体RNA中，一些最初的突变是有害的，但最终被随后的补偿突变（compensatory mutation）所代替使得有害效应没有得到积累。Ohta（1973）把这类突变归于轻微有害突变的范畴；而事实上，从长期进化的角度来看，这些轻微有害突变只是一种临时的状态，并没有最终改变基因的功能，所以仍然应该被称之为中性突变（Nei 1987; Itoh et al. 2002）。因此，Nei（2005）认为近中性理论在实质上仍然与原有的中性理论是相同的。( L& r8 Y! s$ v
" l9 e% \- q* m0 N! B7 N
参考文献：
Freudenberg-Hua Y, Freudenberg J, Kluck N, Cichon S, Propping P, No¨then MM. 2003. Single nucleotide variation analysis in 65 candidate genes for CNS disorders in a representative sample of the European population. Genome Research. 13:2271–2276.# c/ m3 m/ g1 O. k' s
Harpending HC, Batzer MA, Gurven M, Jorde LB, Rogers AR, Sherry ST. 1998. Genetic traces of ancient demography. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA. 95: 1961–1967.  n8 C$ ?/ P$ k. o( K
Hartl DL, Taubes CH. 1998. Towards a theory of evolutionary adaptation. Genetica. 102:525–533., t) W+ u& f: E# R+ {/ k
Hughes AL. 2005. Evidence for abundant slightly deleterious polymorphisms in bacterial populations. Genetics. 169:553–558.& X) q7 L/ i7 }" r) d5 F
Hughes AL. 2007a. Looking for Darwin in all the wrong places: the misguided quest for positive selection at the nucleotide sequence level. Heredity. 99:364-373.
Hughes AL. 2007b. Micro-scale signature of purifying selection in Marburg virus genomes. Gene. 392:266–272.
Hughes AL, Hughes MA, Friedman R. 2007. Variable intensity of purifying selection on cytotoxic T-lymphocyte epitopes in hepatitis C virus. Virus Research. 123:147–153.6 E$ I# H0 \( K( P. Q; k
Hughes AL, Packer B, Welch R, Bergen AW, Chanock SJ, Yeager M. 2003. Widespread purifying selection at polymorphic sites in human protein-coding loci. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA. 100:15754–15757.
Itoh T, Martin W, Nei M. 2002. Acceleration of genomic evolution caused by enhanced mutation rate in endocellular symbionts. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA. 99:12944–12948.
Nei M. 1975. Molecular population genetics and evolution. North-Holland, Amsterdam.
Nei M. 1987. Molecular evolutionary genetics. Columbia University Press, New York.
Nei M. 2005. Selectionism and neutralism in molecular evolution. Molecular Biology and Evolution. 22:2318–2342.
Nei M, Graur D. 1984. Extent of protein polymorphism and the neutral mutation theory. Evolutionary Biology. 17:73–118.: s9 V1 h9 s! D4 ^% K9 G3 C8 z$ r# ]$ o
Ohta T. 1973. Slightly deleterious mutant substitutions in evolution. Nature. 246: 96–98./ w" J9 k( W" b
Ohta T. 1974. Mutation pressure as the main cause of molecular evolution and polymorphism. Nature. 252:351–354.
Ohta T. 1976. Role of very slightly deleterious mutations in molecular evolution and polymorphism. Theoretical population biology. 10:254–275.8 {5 g1 d- q4 V2 C* U
Ohta T. 1992. The nearly neutral theory of molecular evolution. Annual Review of Ecology and Systematics. 23:263–286.
Ohta T. 2002. Near-neutrality in evolution of genes and gene regulation. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA. 99:16134–16137.
Zhao Z, Fu Y-X, Hewett-Emmett D, Boerwinkle E. 2003. Investigating single nucleotide polymorphism (SNP) density in the human genome and its implications for molecular evolution. Gene. 312:207–213.

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