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生物學 1968

分子層面的演化速率

木村資生

演化在分子層面的絕大多數「小字」,不是自然選擇寫下的,而是純粹的運氣。

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In depth · the introduction

在數百萬年裡悄悄堆積進我們基因中的大多數微小變化,也許既不好也不壞——只是碰巧留下來的幸運意外。

核心想法

在分子的層面,達爾文那句「適者生存」並不是故事的全部。DNA 與蛋白質中的大多數變化是「中性」的:它們既不幫助、也不損害生物體,於是自然選擇根本注意不到它們。這樣一處變化,究竟會擴散到每一個個體,還是就此消失,便交由純粹的運氣,一代一代地裁決——這個過程,叫遺傳漂變。

木村資生主張:區分物種的大多數分子差異,正是這樣累積起來的——不是因為它們有用,而是因為它們對選擇隱形,又在遺傳的抽籤裡走運。

它是如何誕生的

到 1960 年代,生物學家終於能夠一個字母一個字母地,讀出血紅蛋白這類蛋白質的序列。一比較物種,他們被兩件事驚到了:序列變化得有多快,又變化得有多穩。木村資生——在日本國立遺傳學研究所工作,是那個世紀最偉大的數學生物學家之一——看出這速度實在太快,快到自然選擇不可能為每一處變化買單;這個論證,他借自 J. B. S. 霍爾丹。

他的答案,寫在 1968 年《自然》上一篇僅一頁半的短文裡,是激進的:其中大多數都是隨機的。同一年,在大洋彼岸、完全獨立地,傑克·金與托馬斯·朱克斯得出了同樣的結論,並以一個尖銳的標題《非達爾文式演化》發表。這一主張,掀起了生物學最漫長、也最激烈的爭論之一。

它為何重要

它交給生物學一座鐘。如果中性變化以恆定的速率累積,那麼兩個物種之間分子差異的數目,就度量著它們多久以前共享過一個祖先——這座「分子鐘」,如今為整棵生命之樹標定年代。

它還提供了那個不可或缺的虛無假設。要主張自然選擇塑造了某個特定的基因,生物學家必須先證明:它的變化圖樣,超出了單憑運氣所能產生的程度。木村的「運氣」,成了一切選擇據以度量的標尺。

一個可以想像的畫面

想像用手抄寫一本厚書,一遍又一遍,跨越幾個世紀。大多數筆誤並不改變意思——「colour」寫成「color」——於是沒人特意去改它、也沒人特意去留它;它們隨機地在一份份抄本裡浮現、又消失。如今,比較兩座圖書館裡、同出自一份失傳原稿的版本,數一數那些無害的差異。這個數目,便告訴你兩條抄寫的支線在多久以前分了家。它走動的快慢,取決於筆誤產生的速率——而不取決於誰讀得有多仔細。

可互動的分子鐘:中性變化沿著一條從共同祖先到今天的譜系,以刻度出現。拖動突變率來增減刻度;把族群大小在極大範圍內拖動,刻度——也就是鐘的節拍——紋絲不動。

它的位置

達爾文把自然選擇放到生命的中心,已是一個世紀以前;費雪、霍爾丹與萊特把演化重建為數學,也已是幾十年前。而木村堅持:在分子的層面,選擇必須與純粹的運氣分享舞台。他從不否認選擇雕琢了眼睛與翅膀;他主張的是,DNA 深處那場無聲的翻攪,大多是漂變。這場爭論,重塑了生物學家閱讀每一份基因組的方式;而它給出的分子鐘,支撐著從人類起源、到追蹤一種病毒如何擴散的種種研究。

The original document
Original source text
M. Kimura · Nature 217 (1968): 624–626
The puzzle: molecules change fast — and steadily
Drawing on the first protein sequences, Kimura compares the haemoglobin α and β chains and cytochrome c across mammals. The amino-acid sequences have diverged at a striking, near-constant pace — on the order of one substitution per 100-residue chain every ten million years. Extrapolated across a mammalian genome of some four billion base pairs, that implies, he argues, roughly one new nucleotide substitution becoming fixed every two years.
Calculating the rate of evolution in terms of nucleotide substitutions seems to give a value so high that many of the mutations involved must be neutral ones.
Why selection cannot pay for it all
Kimura invokes Haldane's “cost of natural selection.” Every gene substitution driven by positive selection demands a quota of selective deaths — individuals lacking the favoured type that must be removed. At the molecular rate just estimated, the cumulative cost of driving every substitution by selection would be unbearably large. He concludes that the great majority of these substitutions must instead be selectively neutral, fixed not by selection but by random genetic drift in finite populations.
[ … ]
The consequence: a clock
A neutral mutant's chance of eventual fixation equals its starting frequency, and new mutants arise in exact proportion to population size — so population size cancels, and the long-run substitution rate equals the neutral mutation rate. Molecular evolution should therefore tick at a roughly constant rate per year: a molecular evolutionary clock. The full communication, with its substitution-rate figures and its load calculation, runs to under three pages and is available in full at the source below.
National Institute of Genetics, Mishima · 1968