一份“进化”的遗产
构建“分子进化树”
□钟扬
达尔文在19世纪中叶提出了生物进化论思想，使“进化（Evolution）”成为100多年来生物学中使用频率最高的词汇之一。生物进化论告诉我们，所有生物都是从远古的同一祖先，经遗传和变异演化而来的。在达尔文之后，重建地球上所有生物的进化历史，所为众多生物学家毕生的梦想。
在达尔文1837年的一本笔记里，他画了一棵树，这是他最喜爱的一个隐喻，每个细枝代表着各个物种，而它们源自一个共同的根。
在达尔文发表《物种起源》6年之后，德国学者海克尔依据进化论思想，画出了一棵“生命之树”，开创了用“树”来形象描绘生物进化历史的先河。
长期以来，人们常常用形态和生理特征辅以化石证据来构建生物进化树，然而，由于形态和生理特征的进化式样极其复杂，加上化石资料不够完整，因而所构建的进化树往往存在着不少争议，难以反映复杂生物进化历史的全貌。
20世纪分子生物学的快速发展极大地改变了进化生物学的格局。就在达尔文进化论诞生100周年之际，日本学者木村资生及英美学者金和朱克斯等相继提出了分子进化的中性学说。该学说认为，在分子的进化过程，“中性”的遗传变异可能比自然选择发挥更大的作用。随后，人们相继建立了DNA与蛋白质序列进化模型及分析方法，既能定量地描述和预测不同分子随时间变异的模式，也可以区分遗传和环境因素对基因变异的影响。更为重要的是，由于生命的蓝图都是用DNA(某些病毒则是用RNA)来书写的，因而人们可以通过比较DNA序列来研究不同生物之间的进化关系，进而构建全新的生物进化树。这一新兴的学科领域被称为“分子系统学”，为解决系统与进化生物学中的疑难问题，提供了新的方法。
如今，越来越多的分子生物学家开始从进化途径来解决生命科学的前沿问题。其中，利用同源基因来预测未知的基因功能，已成为基因组分析中的一项常规工作。这一工作通过构建进化树来确定不同生物的种间同源基因和种内同源基因以及基因家族成员。
分子生物学时代的进化研究还有一个显著特点，就是进化理论和实际应用紧密结合。众所周知的SARS病毒分子进化研究就是一个极好的案例。
2002年11月，我国广东佛山出现首例SARS，随后半年内在国内及全世界范围蔓延。科研人员在确定该病致病原方面做了大量工作。面对这一全新的病毒，传统医学通过症状和常规筛选推测感染源的方法失效。2003年3月，世界卫生组织（WHO）组织了全球SARS联合研究合作网络，在4月16日宣布了SARS致病原为新型冠状病毒，其依据是根据该病毒聚合酶基因的部分编码序列完成的进化分析。
我国科研人员进一步利用分子进化方法重建了SARS的流行病学过程。他们分析了来自中国SARS流行早、中、晚3个不同阶段病例的60余份样本，获得了每份样本的全基因组序列。在详细病史记录的基础上，研究了这些基因组序列中的变异和进化规律，构建了SARS病毒的基因型进化树。
根据进化理论，当一种新型病毒接触人体时，其生存环境的改变会导致不适应新环境的病毒被淘汰，而且这个数量是巨大的。但是，就是那些少之又少的病毒通过了“瓶颈效应”，在人体内繁殖并不断累积突变，最终适应了新环境。那么，SARS冠状病毒是否适应了人体环境呢？科学家们在分析后发现，病毒在流行早期的确发生了适应性进化，而晚期则遭遇了不适应环境的淘汰选择。
尽管分子进化分析在SARS研究中发挥了重要作用，但仍有许多未解之谜，追踪SARS病毒的源头及其天然宿主的工作目前还在继续进行之中。
进入后基因组时代，生物进化理论正面临前所未有的机遇和挑战，人们可以通过大规模的测序计划及各种组学研究工作，用获得的大量分子数据来验证已有的进化理论，从而发展和深化传统的进化思想和分子进化分析方法。同时，也可以挑战现有的进化理论，推动其进一步完善。如，人们发现许多病毒的进化历史并不是一种单纯的树状结构，而呈现出网状结构特征，那能否挑战一下去思考，究竟是进化论中的树状结构是错误的，还是这些网状结构根本就无从取代树的地位，而仅仅是进化树枝间飞舞的“蝴蝶”呢？
用一棵进化树来重建病毒的进化史时，的确存在许多缺陷。如何构建更为全面的进化网络，是摆在我们面前的一项崭新的课题。机遇也罢，挑战也罢，它们都为生物进化论在分子生物学时代的进步，展现了光明的前景。
“进化树”和“基因树”
讲述不同的故事
达尔文没有见过双螺旋结构，但他的进化论试图解决的是整个生命进化的过程。那么，达尔文的进化论可以解释分子水平的生物进化现象吗？我们用分子的数据来进行检验，很多分子证据都对达尔文的理论投了支持票。但有时候，也会有挑战出现。举个简单的例子，一个基因可能经历了许多次重复和丢失事件。从物种水平看，B和C关系较近，而A与它们的关系要远一些。但如果仅仅用分子生物学手段来检测，会得出不一致的结果。因为在基因重复的同时，也发生了几次基因丢失，甚至是谱系灭绝的突发事件。基因树告诉我们，A和B拥有同样的深色数据，C则变成浅色数据，因而C与B的关系看似更远。当然，这是一个错误的结论，因此，仅仅用一个分子生物学的证据，很可能得出与物种进化不同的观点。
我们所处的时代和达尔文完全不同，这是信息爆炸的时代，我们似乎不再为数据缺乏而发愁。相反，有时掌握的基因太多了，一个基因说两个物种进化关系很近，而另一个基因可能又说它们关系很远。因此，我们要做足够多的工作，比如在你分析的200个基因中有180个都说这两者关系近，那才可能真的是可信的。达尔文也许没有我们今天的烦恼，因为他的数据比较少。今天，如果有人想挑战进化论，这种有志于科学探索的精神值得鼓励，但需切记，只有用科学的方法才能令人信服。
