张国捷 | 浙江大学求是讲席教授

怎么样知道物种的演化规律？

在过去，大多数不做演化生物学的人，会感觉做演化生物学，只不过在知道历史，重现历史。当然演化生物学，自达尔文或华莱士提源于然选择学说之后，大家回答的事实上是有两个大方向，第一个是所谓的一同祖先理论，就是构建生命之树如此的非常重要的工作。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拓展。

阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士

查尔斯·达尔文

基于16S 核糖体RNA序列剖析重建出的地球生命演化树

演化生物学还有一个非常重要的课题，是研究背后的演化规律。所谓的规律，主如果用来认识生命演化的内在驱动力，与外在环境之间怎么样协同调控，怎么样影响个体的差异，与物种演化的过程，这里面有不少经典的问题需要去解答。

生命之树研究，不光只不过知道人类是如何演化出现的，人类跟类人猿或者是其他灵长类之间的关系，大家也要知道全世界各种各样的生物和生态系统里所有些物种，它们是如何演化过来的。

知道生命演化规律的技术有什么？

包含各种组学的数据、各种组学的方法，与目前看到的任何分子生物学的数据，或者是技术，可能都是在大家范围里面能做一些形态学研究的。

那就有更丰富的方法，用核磁共振、ECT扫描或者是借助仿生的机器人如此的重构，来重现物种的组成。各种各样的动物学方法或者是工科、物理、化学的不少方法，其实都用来回答有关的研究。

分子生物学解决了什么进化问题？

本身理论的一些有关探讨，是一直在不断地变化，尤其是新的技术、新的学科出现之后持续的融合。

以大家的研究为例，大家其实有兴趣并且非常重要的几个方面，第一个是物种起源的问题，达尔文提出一同祖先的理论，基本内容就是一同祖先的群体，可能分成两个小群体，渐渐走向不一样的环境，分开之后，两个群体渐渐的产生基因之间的差异，最后因为缺少基因交流，持续的积累变异之后，就形成了两个不一样的物种。

如此基本的模型，是对于大家理解物种的形成尤为重要，基于如此的模型，大家期望可以理解祖先变成两个物种，往深一点，两个物种的一同祖先跟另外的物种，可能在更早的时间分化，所以渐渐的搭建起来生命之树，大家可以把它简单理解成描述历史事件发生的地图。这可以告诉大家，物种是什么时间开始出现的？它的近期缘的物种是什么？它们的一同祖先在哪儿？有如此基本的信息之后，才可以有些放矢的去做一些跨物种的比较研究。

自从达尔文提出一同祖先理论之后，构建生命之树变成了非常重要的科学问题，包含人类在内，大家会问这么一个问题，人是从哪儿来的？

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。由于大家了解的形态是演化的结果，那过程中，大概不一样的物种，在相同的存活环境里面，因为趋同的演化，致使相同的性状出现，假如说你纯粹用形态的构建，或许会把这两个物种聚在一块，觉得这两个可能有一同的祖先，事实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非常大的冲突，这种冲突，在不少个物类型群里面都出现过，哺乳动物，包含人类在内。到底黑猩猩跟大猩猩什么是近缘的物种？

19世纪中期，赫胥黎提出人跟大猩猩或者黑猩猩是大家近期缘的物种，直到分子生物学的方法，血清蛋白这种技术出来后才确认，黑猩猩是人类近期缘的物种，大猩猩则更远一些。

话题的争论直到基因组学出来之后，借助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近期的。但，人的基因组上面确实有15%的地区跟大猩猩更近。

基因演化的过程是很复杂的，不见得所有些基因都遵从物种的演化和关系，由于这是群体遗传学的问题，就是宿主理论。大家可以推算出来，在群体比较大的状况下祖先有多大性能，它大概是随机的分选到后续产生的物种里面，因为遗传漂变，使得有的物种丢失，有的物种保留下来，最后基因型所构建出来进化树，事实上跟物种树可能是不同的。

当然还有一些复杂的现象，物种形成之后，它或许会跟另外物种存在杂交的现象，譬如说大家熟悉的现代人类，跟尼安德特人或者是丹尼索瓦人，就存在这种杂交现象。这种现象在不少个物类型群里面都存在，在过去借助分子生物学的方法，在理解物种的由来过程中提供了很大的帮忙。

除去构建生命之树以外，还要回答物种形成后，它怎么样适应不一样的环境，譬如说北极熊怎么样适应冰冷的环境，特殊的极端的环境相对于物种的存活有很大的胁迫力。但，不少物种事实上是可以适应不一样的存活环境的，那就给大家提供非常不错的材料来理解生物基因产生的功能，怎么样适应这种环境，或者会产生新的性状，这类是理解物种不同存活环境的适应能力，为大家的探寻基因型与表型之间的关联非常不错的方法。

鸟类基因组有什么有趣的发现？

大家的目的当然是期望可以尽可能全的去解析所有些鸟类的基因组，采集它的表型与生态学的信息之后，可以给出完整的信息，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？显然大家不可能说随意有哪些样的样品，大家就测哪种基因组，是依据所谓物类型群，划分界、门、纲、目、科、属、种，鸟它是纲。

大家从目、科、属、种四个阶段渐渐拓展的，2014年大家已经完成了目级别项的工作，2020年大家发布的内容，包含目前的工作，是一系列有关的成就。

它是目级别或者科级别的工作，当然大家是在鸟类目或者科里面挑选代表性的物种，以这类物种来作为目类群的代表物种，拓展有关的比较的研究。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，是什么类群先出现的？什么类群是后出现的？那如此的先后顺序，不同物种之间分类的地位，与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，鸟类有在不一样的学科里，有不少广泛的应用。

包含生态学里用鸟类做研究模型，演化生物学更不需要讲，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，譬如禽流感它是怎么样来传播的？那可以说在过去，生命之树之间冲突是巨大的，所以用的树，事实上是不一样的研究用的不一样的树，得到了结论可能不是正确的。这次大家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，为它的靠谱性提供了更好的科学的依据，也是非常重要的成就。

当然，大家在过去有一系列有关工作，来理解譬如鸟类的性状是怎么样来演化的，鸟类的一些骨骼系统，所有些鸟类里面都没牙齿？那牙齿丢失的过程是什么？鸟类翅膀的发育、羽毛的发育与一些生理生态特点。大家借助鸟类的基因组数据，大家可以来回推这类鸟类在过去100万年里面，它们种群演化的历史演化，它跟气候关系是哪种？寒冷环境或者是气候变暖的状况下，什么物种更容易适应的？可以让大家做一些有关的将来的预测，对保护生物学有非常重要的借鉴的意义，来回答在当下全球气候变暖，什么鸟类可以更好地适应？

那下一个阶段，大家已经完成了目级别、科级别的这两个阶段的工作，目前大家正在组织的是属级别有关的工作，差不多有2000多个，大家已经采集了差不多有4000个物种，那大家期望可以进一步的来构建属级别的生命之树。

基因组怎么样揭示灵长类动物演化？

想要回答这个问题，就是人为什么为人？如此的命题的状况下，大家不光要知道人自己基因组或者是自己的功能，它是基于跟其他物种比较的研究上面得到的一些有关结论，譬如大家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，大家是联合的国内与海外的好几个课题组，差不多有50个灵长类基因组有关的比较研究，来理解人类每一个基因或者每一个碱基漫长的演化历史，它在什么时间节点出现的。那同时大家也期望可以借用项目来认识复杂性的性状，譬如说灵长类特殊的就是社会组织，那如此的社会结构是怎么样来出现的，对大脑影响是什么样的变化，会不会影响到社会形态或社会组织形式的出现，也期望可以借用如此数据，更好的去理解灵长类分化的历史。

刚刚讲的一同主祖先的理论，譬如说生命之树的说法，但过程中有不少的“人”，虽然跟黑猩猩也是近期缘的物种，但这里边还有15%的地区是跟大猩猩更像的，出现这个现象，是由于不完全谱系分选这种特殊现象致使的。同时物种之间，还存在跨物种杂交，虽然大家期望可以通过如此的数据，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，会有哪些样的影响，大家除去构建生命之树，也发目前整个灵长类的过程中，不完全谱系分选的影响很广泛。同时还有跨物种之间杂交，譬如说课题组的合作，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。

杂交成种如此的现象，在哺乳动物里面是很罕见的，尤其是在灵长类中，过去从来没报道过。

大家跟昆明动物所吴冬冬课题组，也发目前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类型群，这类对于整个灵长类演化或者是灵长类新种类的出现，提供了不少新的见解。

分子生物学对人类疾病的帮忙

是一种表型，只是这种表型，对于个体来讲，它可能不那样舒服或者说是不适应，使得个体死亡，或者是出现各种症状，绝大多数可遗传的，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，大家从演化的视角来看，就是没有这种突变，假如没突变，等于大家就没演化的动力了，那一旦外在环境变化，大家就无法储备一些遗传变异来应付不一样的环境。对疾病来讲，大家当然期望突变控制在肯定的范围里面，不可以太大。从个体的来看，突变当然不要太多，由于不少突变都是有害的。

单从演化视角，就是不可以让突变速率变成0，所以突变率到底应该是要保持到什么的范围，不会产生太多的疾病。同时对于演化还是有这种驱动力，那就是每一个物种，会存在不一样的突变率的范围，那突变速率的范围是由什么来决定的，是非常重要的问题。或者是换个说法，就是为何人相对黑猩猩或者其他的灵长类，大家的突变速率是更小，譬如小鼠的突变速率比大多数灵长类的物种还要大，那又需要回答核心的问题，突变速率为何会有不同？通过去年的研究工作，大家就揭示了突变率本身，大家是可以把它当成性状来研究，由于突变速率在群体里面相对比较稳定，所以大家可以把它当成是物种特有些性状。

大家发现决定或者影响突变速率的大小，非常重要的原因是每一个物种的繁殖效率，假如说产的后代越多,那它可能每年积累的突变速率相应会更大。譬如说寿命或者是大家的每一代的代时，也会对大家的突变速率有非常大的影响。事实上这有非常重要的启示，为何大家人类突变速率要保持到如此的范围里？事实上是提供了如此的演化视角，有不少的疾病现象其实并非人类特有些，过去有不少人是觉得人类特有些生理现象，其实在不少物种里面都存在。譬如说近期的一些研究发现鲸鱼、黑猩猩里面，都存在更年期如此的效应，也就是绝经的现象。

这当然是人类关心的问题，由于涉到女人的生理健康的要紧特点，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，它虽然会有不少改变，就是说自然选择，是无法在你失去生殖能力之后进行有关的选择，所以大家会看到过了繁殖周期之后，各种各样的疾病就会出现。那过程事实上是非常重要的动因，由于自然选择它已经失去了效率，可以把如此的变异给清除掉，如此的研究范围，还是比较新的范围，等于把人类疾病或健康现象，是以性状来研究有关的演化的规律。

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

出品：中国科协科普部

监制：中国科技出版社公司、北京中科星河文化传媒公司

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