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物理学家凯尔文勋爵曾在1900年断言:“物理学已经没有什么新东西可发展了。”然而不久后,就以相对论和量子物理学的兴起为起点,引发了物理学上一场巨大的知识革新,当然也证明了凯尔文的言论是错误的。今天,或许历史即将重演!随着基因学和生物信息学对生命本质的揭示越来越深入,生物学家们开始认真筹划:将达尔文当年定义的进化树连根拔起!
1837年7月的一天,达尔文坐在小屋里,翻开记录本,用红色的羽毛笔写下:“我认为”,接着画了一幅纤细的树形结构——这就是我们后来熟知的进化树,达尔文用它来解释不同物种之间的进化关系。到《物种起源》发表22年时,这棵柔弱的“小树苗”已经长成一棵枝叶繁茂的“大树”。
进化树以所有现存生物的共同祖先为基础,伸展出树干,从树干不断地分支,最后形成典型的大树结构。树上的每一个分支都代表着一个单独的物种,而分支点表示该物种在进化上一分为二;如果树枝终结于某个死角,就表明该物种已经灭绝;成功到达树枝顶端的则代表现存的物种。进化树试图向人们展现曾经存在于地球上的每一个物种之间的千丝万缕的复杂关系,并追溯生命是如何从最初的形态走到了今天。可以说,进化树在达尔文理论中的重要性丝毫不亚于自然选择,它使进化论在科学界大获全胜。大家都相信进化树是自然界的一个客观事实,虽然它还需要进一步的补充,但基本上解释了生物之间的所有关系。进化树已经成为理解地球生命历史的统一原则。
在过去的150多年里,生物学的进步不断灌溉滋润着进化树,而完善进化树所有的分支也成为科学家的终极目标。可是现在,进化树遭到越来越多的反面证据的攻击,正逐渐成为碎片。更具爆炸性的言论是:根本没有证据可以证明进化树是客观存在的事实,它已经过时了,应该被丢弃了!
到底发生了什么?这还得从DNA的发现说起。
进化树错了?
DNA也就是脱氧核糖核酸,它和核糖核酸(RNA)都是决定生物遗传的基本物质。1953年,科学家弄清楚了DNA的分子结构,分子进化论由此诞生。科学家相信,只要能继续破解DNA,就能很快揭开RNA等其他相关遗传物质的奥秘,当然也就能为进化树提供更多的证据。因为从理论上说,进化树上两个靠得越近的分支,它们的遗传物质也应该越相近。
研究在刚开始时进行得很顺利。上世纪70年代,科学家首先利用植物、动物、微生物的RNA序列结果补充描绘了进化树的轮廓。其间,科学家意外地发现了单细胞古生菌——此前人们一直以为它们是细菌,其实它们是进化树上的一个不为人知的主要分支。在细胞结构和代谢上,古生菌接近其他原核生物,但在分子遗传学的特点上,它们并不明显表现出原核生物的特征,反而非常接近真核生物。有很多古生菌生存在极端环境中,比如间歇泉或者海底热液口附近,这些地方有着极高的温度(通常在100℃以上);还有的生存在很冷的环境或者高盐、强酸或强碱性的水中。当然,也有一些古生菌是嗜中性的,能够在沼泽、废水和土壤中生存。很多产甲烷的古生菌生存在动物的消化道中,如反刍动物、白蚁或者人类。一般说来,古生菌对其他生物无害,迄今未发现有致病古生菌。
具有讽刺意义的是,到上世纪90年代早期,相悖的证据浮出水面。科学家在分析古生菌的DNA时,发现它与其RNA的分析结果并不总是保持一致。例如,有时候RNA分析表明物种A在进化树上比C更接近B,但DNA分析所反映的情况却正好相反。像这样自相矛盾的结论究竟哪一个才是对的呢?一个可能的答案是:DNA与RNA的结论都对,只要进化树不存在!
进化树真的错了吗?让我们先来看看进化树成立的前提是什么。达尔文认为进化的方向是垂直的,也就是说生物的遗传特征必定由父母传递给子女。但是,如果在物种之间还存在着遗传物质的交换,或进行了杂交,那么进化树就会迅速演化成枝丫交错的灌木丛,使得物种分支在某些方面非常相近,在其他方面又相去甚远。
我们现在可以精确地知道这个过程到底是怎样发生的。显然,在细菌与古生菌之间存在着基因水平转移的情况,也就是说,它们不仅将DNA传递给下一代,彼此之间也在交换DNA。更为重要的是,基因水平转移并不是生物界偶然出现的,也不是某个次要的作用因素,它在生物界广泛存在。
是“树”还是“网”?
一旦认识到基因水平转移并非次要因素,生物学家就开始重新审视进化树的意义。早在1993年,就有科学家指出,细菌和古生菌在进化树上更像一个网络。1999年,又有科学家声称:“进化树已经不再适合被画成一棵树了。它并不存在于自然界中,而是人类擅自对自然界进行的归类。”于是一场关于进化树的论战终于爆发了,对进化树持不同观点的研究者纷纷“参战”。支持者开发出复杂的计算机程序,试图画出更加完美的进化树来驳倒反对者,而反对者也毫不客气地指出进化树不合实际,是丢弃它的时候了。
2006年,支持进化树的科学家们雄心勃勃地检测了真核细胞、细菌、古生菌等191种物种的基因序列,他们最终确认了31个核心基因,这些基因都没有出现基因水平转移的现象。计算机的描绘也显示:从大肠杆菌到大象,彼此的亲缘关系几乎完美地符合进化树。然而,反对的声音很快出现:仅仅绘制出31个核心基因是没有意义的,它们所代表的不过是一种动物全部基因组的1%的内容,别说组成一棵繁茂的大树,就连画出一株幼苗都很难。于是,在不经意间,“只有1%是树结构”反而成为证明进化树多余的最好证据。
究竟要不要砍掉进化树呢?2008年,有科学家从181个原核生物中检测了数十万的基因,结果发现其中有80%表现出了基因水平转移。更令人惊讶的是,陆续进行的很多研究都表明,基因水平转移是一种自然规律。
同时,越来越多的研究认为,真核细胞源于两个原核细胞的融合。科学家猜测这一过程最初也许并不复杂,仅仅是一种原始的合并过程:这些原核细胞将自身的基因组进行整合,从而形成杂交的基因组。这显然也属于基因水平转移的一种方式。如此看来,细菌和古生菌在进化上就构成了一个圆圈,而不是从属的分支。事实上,有关研究越深入,就越证明进化树太过简单,无法充分说明整个生命史。我们不应该忘记,细菌和古生菌在这个地球上至少已经存在了38亿年,而多细胞生命出现在地球上不过是6.3亿年前的事,即便在今天,细菌、古生菌和单细胞真核生物在生物界也至少占据了90%的比例,它们是地球上生存能力最强、绝对数量最多、分布最广的生命形式。如果仅仅因为多细胞生命是按照树枝途径进化的,就说地球上的所有生命都是这样进化而来的,这肯定是错误的。
“如果真的存在一棵进化树,这棵树也仅仅只是生物界整个网络中的一个小小部分。”科学家如是说。
普遍存在的“混血儿”
事实上,在多细胞动物的进化过程中,也常常出现个体间彼此交换基因片段的现象,例如杂交就在其进化中起到了非常重要的作用,它所产生的“混血儿”至今仍生活在地球上。
早在1985年,就有生物学家对此做出了预测,只不过那时没有确凿的证据。几年前,科学家在奶牛的遗传物质中发现了蛇的基因片段;2008年,科学家又在8种动物(小鼠、大鼠、婴猴、小棕蝙蝠、无尾猬、新袋鼠、变色蜥和非洲爪蟾)中发现了一组罕见的DNA片段,但在包括人类、大象、鸡、鱼在内的其他25种生物中却没有发现这种DNA片段。这一事实说明,即便是高等动物,其DNA片段也不一定是垂直下传的,很可能也存在水平转移现象。
最近,科学家对普遍存在于人类、青蛙、海鞘、海胆、果蝇和线虫中的2000种基因片段进行了比较。从理论上讲,科学家应该可以构建出一幅详尽的进化树图,用以说明这6种生物之间的关系,但他们失败了,问题就出在不同的基因之间有着相互矛盾的进化故事。以海鞘为例,在通常情况下,海鞘是一种有被膜的动物,连同青蛙、人类和别的脊椎动物一起被归纳在脊索动物门中。但是,海鞘的基因特征所表现出来的却是一种混合信息:其中一些符合它们的归类特征,另一些却是其他种类生物的特征。对这种现象最合理的解释是,海鞘是进化上的一个生物杂合子,或许它们是在6亿年前,由早期的海鞘祖先与海胆类动物融合而成的。事实上,杂交在动植物的进化中起到了非常重要的作用。有证据表明,早期的现代人,比如直立猿人和尼安德特人就存在着通婚现象。
这些研究都将生命的进化路线从进化树上岔开了。
藏匿深海的双重生命
以前科学家认为杂交的个体无法再繁衍后代,但事实不是这样的。海洋生物学家发现,许多海洋动物都有着奇异的双重生命——它们在幼虫阶段的外形特征和成体时完全不同,这种转变被称为“变态”。
传统观点认为,变态是一个逐渐演化的过程,幼虫阶段的特征有助于成长,成虫阶段的特征有助于择偶,各自发挥着不一样的作用。但有科学家指出,如果分别根据它们幼虫和成虫的共同点绘制出各自的谱系图,就会发现这两张图千差万别,完全无法统一。科学家目前相信,变态可能早在远古时代就出现了:两个独立的物种随机融合,形成新的物种,而后它在进化中重复出现。这听起来简直不可思议,但科学家解释说,许多海洋动物在交配时,都是将各自的精子和卵子排放到水里,然后让它们自己进行最佳的组合,这种方式本身就使杂交的概率增大了。在漫长的进化路上,哪怕在100万年中只发生一次,比如一个物种的精子和另一个物种的卵子相融合,新物种就兼备了两者的共同基因,于是它们就会在不同的发育阶段表现出不一样的外在形态。
这同时也解释了为什么海底会出现那么多千奇百怪的生物,即我们所谓的“怪物”。以海星为例,生长早期的海星看起来是一条细小的幼虫,在其体内可以观察到一种海星样的结构,它随着幼虫的成长而不断长大成熟,并逐渐迁移到幼虫体外;当幼虫在海底定居后,这个结构便与幼虫的躯体彻底分离,并形成我们通常所看到的成体海星。不过,在砂海星还会发生更让人吃惊的事:当海星样的结构和幼虫分开后,幼虫的剩余躯体居然还能继续存活几个月。这种现象几乎让科学家无言以对,他们认为:“很难想象只有一套基因组的动物是怎样做到这一点的!只能说控制幼虫生长的基因与控制成体的基因是不一样的。”
现在,大多数进化生物学家都开始认识到进化树并非一个事实,而是我们强加给自然界的。他们郑重申明:“生物学的复杂性堪比量子力学!”重新认识和修订进化树,或许将成为当代科学界的一场巨大而成功的革命。进化树曾经让我们更好地认识了进化论,这是事实,但现在我们对于进化论的了解更加完善,因此是时候移除进化树了。有生物学家已经将进化树连根拔起了,他们正抡起斧头,朝着剩下的残枝砍去。
19世纪,达尔文和华莱士扳动了发动一场科技革命的开关;到20世纪30、40年代,英国遗传学家们又联合起来,将进化论放到了更为坚实的基础性阶段;而现在,我们期待着第三次革命的到来。当然,科学家也告诫我们,拔掉进化树并不等于否定进化论,只能说生命在进化过程中的表现并非那么中规中矩。
1837年7月的一天,达尔文坐在小屋里,翻开记录本,用红色的羽毛笔写下:“我认为”,接着画了一幅纤细的树形结构——这就是我们后来熟知的进化树,达尔文用它来解释不同物种之间的进化关系。到《物种起源》发表22年时,这棵柔弱的“小树苗”已经长成一棵枝叶繁茂的“大树”。
进化树以所有现存生物的共同祖先为基础,伸展出树干,从树干不断地分支,最后形成典型的大树结构。树上的每一个分支都代表着一个单独的物种,而分支点表示该物种在进化上一分为二;如果树枝终结于某个死角,就表明该物种已经灭绝;成功到达树枝顶端的则代表现存的物种。进化树试图向人们展现曾经存在于地球上的每一个物种之间的千丝万缕的复杂关系,并追溯生命是如何从最初的形态走到了今天。可以说,进化树在达尔文理论中的重要性丝毫不亚于自然选择,它使进化论在科学界大获全胜。大家都相信进化树是自然界的一个客观事实,虽然它还需要进一步的补充,但基本上解释了生物之间的所有关系。进化树已经成为理解地球生命历史的统一原则。
在过去的150多年里,生物学的进步不断灌溉滋润着进化树,而完善进化树所有的分支也成为科学家的终极目标。可是现在,进化树遭到越来越多的反面证据的攻击,正逐渐成为碎片。更具爆炸性的言论是:根本没有证据可以证明进化树是客观存在的事实,它已经过时了,应该被丢弃了!
到底发生了什么?这还得从DNA的发现说起。
进化树错了?
DNA也就是脱氧核糖核酸,它和核糖核酸(RNA)都是决定生物遗传的基本物质。1953年,科学家弄清楚了DNA的分子结构,分子进化论由此诞生。科学家相信,只要能继续破解DNA,就能很快揭开RNA等其他相关遗传物质的奥秘,当然也就能为进化树提供更多的证据。因为从理论上说,进化树上两个靠得越近的分支,它们的遗传物质也应该越相近。
研究在刚开始时进行得很顺利。上世纪70年代,科学家首先利用植物、动物、微生物的RNA序列结果补充描绘了进化树的轮廓。其间,科学家意外地发现了单细胞古生菌——此前人们一直以为它们是细菌,其实它们是进化树上的一个不为人知的主要分支。在细胞结构和代谢上,古生菌接近其他原核生物,但在分子遗传学的特点上,它们并不明显表现出原核生物的特征,反而非常接近真核生物。有很多古生菌生存在极端环境中,比如间歇泉或者海底热液口附近,这些地方有着极高的温度(通常在100℃以上);还有的生存在很冷的环境或者高盐、强酸或强碱性的水中。当然,也有一些古生菌是嗜中性的,能够在沼泽、废水和土壤中生存。很多产甲烷的古生菌生存在动物的消化道中,如反刍动物、白蚁或者人类。一般说来,古生菌对其他生物无害,迄今未发现有致病古生菌。
具有讽刺意义的是,到上世纪90年代早期,相悖的证据浮出水面。科学家在分析古生菌的DNA时,发现它与其RNA的分析结果并不总是保持一致。例如,有时候RNA分析表明物种A在进化树上比C更接近B,但DNA分析所反映的情况却正好相反。像这样自相矛盾的结论究竟哪一个才是对的呢?一个可能的答案是:DNA与RNA的结论都对,只要进化树不存在!
进化树真的错了吗?让我们先来看看进化树成立的前提是什么。达尔文认为进化的方向是垂直的,也就是说生物的遗传特征必定由父母传递给子女。但是,如果在物种之间还存在着遗传物质的交换,或进行了杂交,那么进化树就会迅速演化成枝丫交错的灌木丛,使得物种分支在某些方面非常相近,在其他方面又相去甚远。
我们现在可以精确地知道这个过程到底是怎样发生的。显然,在细菌与古生菌之间存在着基因水平转移的情况,也就是说,它们不仅将DNA传递给下一代,彼此之间也在交换DNA。更为重要的是,基因水平转移并不是生物界偶然出现的,也不是某个次要的作用因素,它在生物界广泛存在。
是“树”还是“网”?
一旦认识到基因水平转移并非次要因素,生物学家就开始重新审视进化树的意义。早在1993年,就有科学家指出,细菌和古生菌在进化树上更像一个网络。1999年,又有科学家声称:“进化树已经不再适合被画成一棵树了。它并不存在于自然界中,而是人类擅自对自然界进行的归类。”于是一场关于进化树的论战终于爆发了,对进化树持不同观点的研究者纷纷“参战”。支持者开发出复杂的计算机程序,试图画出更加完美的进化树来驳倒反对者,而反对者也毫不客气地指出进化树不合实际,是丢弃它的时候了。
2006年,支持进化树的科学家们雄心勃勃地检测了真核细胞、细菌、古生菌等191种物种的基因序列,他们最终确认了31个核心基因,这些基因都没有出现基因水平转移的现象。计算机的描绘也显示:从大肠杆菌到大象,彼此的亲缘关系几乎完美地符合进化树。然而,反对的声音很快出现:仅仅绘制出31个核心基因是没有意义的,它们所代表的不过是一种动物全部基因组的1%的内容,别说组成一棵繁茂的大树,就连画出一株幼苗都很难。于是,在不经意间,“只有1%是树结构”反而成为证明进化树多余的最好证据。
究竟要不要砍掉进化树呢?2008年,有科学家从181个原核生物中检测了数十万的基因,结果发现其中有80%表现出了基因水平转移。更令人惊讶的是,陆续进行的很多研究都表明,基因水平转移是一种自然规律。
同时,越来越多的研究认为,真核细胞源于两个原核细胞的融合。科学家猜测这一过程最初也许并不复杂,仅仅是一种原始的合并过程:这些原核细胞将自身的基因组进行整合,从而形成杂交的基因组。这显然也属于基因水平转移的一种方式。如此看来,细菌和古生菌在进化上就构成了一个圆圈,而不是从属的分支。事实上,有关研究越深入,就越证明进化树太过简单,无法充分说明整个生命史。我们不应该忘记,细菌和古生菌在这个地球上至少已经存在了38亿年,而多细胞生命出现在地球上不过是6.3亿年前的事,即便在今天,细菌、古生菌和单细胞真核生物在生物界也至少占据了90%的比例,它们是地球上生存能力最强、绝对数量最多、分布最广的生命形式。如果仅仅因为多细胞生命是按照树枝途径进化的,就说地球上的所有生命都是这样进化而来的,这肯定是错误的。
“如果真的存在一棵进化树,这棵树也仅仅只是生物界整个网络中的一个小小部分。”科学家如是说。
普遍存在的“混血儿”
事实上,在多细胞动物的进化过程中,也常常出现个体间彼此交换基因片段的现象,例如杂交就在其进化中起到了非常重要的作用,它所产生的“混血儿”至今仍生活在地球上。
早在1985年,就有生物学家对此做出了预测,只不过那时没有确凿的证据。几年前,科学家在奶牛的遗传物质中发现了蛇的基因片段;2008年,科学家又在8种动物(小鼠、大鼠、婴猴、小棕蝙蝠、无尾猬、新袋鼠、变色蜥和非洲爪蟾)中发现了一组罕见的DNA片段,但在包括人类、大象、鸡、鱼在内的其他25种生物中却没有发现这种DNA片段。这一事实说明,即便是高等动物,其DNA片段也不一定是垂直下传的,很可能也存在水平转移现象。
最近,科学家对普遍存在于人类、青蛙、海鞘、海胆、果蝇和线虫中的2000种基因片段进行了比较。从理论上讲,科学家应该可以构建出一幅详尽的进化树图,用以说明这6种生物之间的关系,但他们失败了,问题就出在不同的基因之间有着相互矛盾的进化故事。以海鞘为例,在通常情况下,海鞘是一种有被膜的动物,连同青蛙、人类和别的脊椎动物一起被归纳在脊索动物门中。但是,海鞘的基因特征所表现出来的却是一种混合信息:其中一些符合它们的归类特征,另一些却是其他种类生物的特征。对这种现象最合理的解释是,海鞘是进化上的一个生物杂合子,或许它们是在6亿年前,由早期的海鞘祖先与海胆类动物融合而成的。事实上,杂交在动植物的进化中起到了非常重要的作用。有证据表明,早期的现代人,比如直立猿人和尼安德特人就存在着通婚现象。
这些研究都将生命的进化路线从进化树上岔开了。
藏匿深海的双重生命
以前科学家认为杂交的个体无法再繁衍后代,但事实不是这样的。海洋生物学家发现,许多海洋动物都有着奇异的双重生命——它们在幼虫阶段的外形特征和成体时完全不同,这种转变被称为“变态”。
传统观点认为,变态是一个逐渐演化的过程,幼虫阶段的特征有助于成长,成虫阶段的特征有助于择偶,各自发挥着不一样的作用。但有科学家指出,如果分别根据它们幼虫和成虫的共同点绘制出各自的谱系图,就会发现这两张图千差万别,完全无法统一。科学家目前相信,变态可能早在远古时代就出现了:两个独立的物种随机融合,形成新的物种,而后它在进化中重复出现。这听起来简直不可思议,但科学家解释说,许多海洋动物在交配时,都是将各自的精子和卵子排放到水里,然后让它们自己进行最佳的组合,这种方式本身就使杂交的概率增大了。在漫长的进化路上,哪怕在100万年中只发生一次,比如一个物种的精子和另一个物种的卵子相融合,新物种就兼备了两者的共同基因,于是它们就会在不同的发育阶段表现出不一样的外在形态。
这同时也解释了为什么海底会出现那么多千奇百怪的生物,即我们所谓的“怪物”。以海星为例,生长早期的海星看起来是一条细小的幼虫,在其体内可以观察到一种海星样的结构,它随着幼虫的成长而不断长大成熟,并逐渐迁移到幼虫体外;当幼虫在海底定居后,这个结构便与幼虫的躯体彻底分离,并形成我们通常所看到的成体海星。不过,在砂海星还会发生更让人吃惊的事:当海星样的结构和幼虫分开后,幼虫的剩余躯体居然还能继续存活几个月。这种现象几乎让科学家无言以对,他们认为:“很难想象只有一套基因组的动物是怎样做到这一点的!只能说控制幼虫生长的基因与控制成体的基因是不一样的。”
现在,大多数进化生物学家都开始认识到进化树并非一个事实,而是我们强加给自然界的。他们郑重申明:“生物学的复杂性堪比量子力学!”重新认识和修订进化树,或许将成为当代科学界的一场巨大而成功的革命。进化树曾经让我们更好地认识了进化论,这是事实,但现在我们对于进化论的了解更加完善,因此是时候移除进化树了。有生物学家已经将进化树连根拔起了,他们正抡起斧头,朝着剩下的残枝砍去。
19世纪,达尔文和华莱士扳动了发动一场科技革命的开关;到20世纪30、40年代,英国遗传学家们又联合起来,将进化论放到了更为坚实的基础性阶段;而现在,我们期待着第三次革命的到来。当然,科学家也告诫我们,拔掉进化树并不等于否定进化论,只能说生命在进化过程中的表现并非那么中规中矩。