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生物学 1968

分子层面的进化速率

木村资生

进化在分子层面的绝大多数「小字」,不是自然选择写下的,而是纯粹的运气。

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In depth · the introduction

在数百万年里悄悄堆积进我们基因中的大多数微小变化,也许既不好也不坏——只是碰巧留下来的幸运意外。

核心想法

在分子的层面,达尔文那句「适者生存」并不是故事的全部。DNA 与蛋白质中的大多数变化是「中性」的:它们既不帮助、也不损害生物体,于是自然选择根本注意不到它们。这样一处变化,究竟会扩散到每一个个体,还是就此消失,便交由纯粹的运气,一代一代地裁决——这个过程,叫遗传漂变。

木村资生主张:区分物种的大多数分子差异,正是这样累积起来的——不是因为它们有用,而是因为它们对选择隐形,又在遗传的抽签里走运。

它是如何诞生的

到 1960 年代,生物学家终于能够一个字母一个字母地,读出血红蛋白这类蛋白质的序列。一比较物种,他们被两件事惊到了:序列变化得有多快,又变化得有多稳。木村资生——在日本国立遗传学研究所工作,是那个世纪最伟大的数学生物学家之一——看出这速度实在太快,快到自然选择不可能为每一处变化买单;这个论证,他借自 J. B. S. 霍尔丹。

他的答案,写在 1968 年《自然》上一篇仅一页半的短文里,是激进的:其中大多数都是随机的。同一年,在大洋彼岸、完全独立地,杰克·金与托马斯·朱克斯得出了同样的结论,并以一个尖锐的标题《非达尔文式进化》发表。这一主张,掀起了生物学最漫长、也最激烈的争论之一。

它为何重要

它交给生物学一座钟。如果中性变化以恒定的速率累积,那么两个物种之间分子差异的数目,就度量着它们多久以前共享过一个祖先——这座「分子钟」,如今为整棵生命之树标定年代。

它还提供了那个不可或缺的零假设。要主张自然选择塑造了某个特定的基因,生物学家必须先证明:它的变化图样,超出了单凭运气所能产生的程度。木村的「运气」,成了一切选择据以度量的标尺。

一个可以想象的画面

想象用手抄写一本厚书,一遍又一遍,跨越几个世纪。大多数笔误并不改变意思——「colour」写成「color」——于是没人特意去改它、也没人特意去留它;它们随机地在一份份抄本里浮现、又消失。如今,比较两座图书馆里、同出自一份失传原稿的版本,数一数那些无害的差异。这个数目,便告诉你两条抄写的支线在多久以前分了家。它走动的快慢,取决于笔误产生的速率——而不取决于谁读得有多仔细。

可交互的分子钟:中性变化沿着一条从共同祖先到今天的谱系,以刻度出现。拖动突变率来增减刻度;把种群大小在极大范围内拖动,刻度——也就是钟的节拍——纹丝不动。

它的位置

达尔文把自然选择放到生命的中心,已是一个世纪以前;费希尔、霍尔丹与赖特把进化重建为数学,也已是几十年前。而木村坚持:在分子的层面,选择必须与纯粹的运气分享舞台。他从不否认选择雕琢了眼睛与翅膀;他主张的是,DNA 深处那场无声的翻搅,大多是漂变。这场争论,重塑了生物学家阅读每一份基因组的方式;而它给出的分子钟,支撑着从人类起源、到追踪一种病毒如何扩散的种种研究。

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