进化论者争论的“中性”理论到底如何？

50年来进化论一直强调中性突变比适应性突变在DNA中占据更重要的位置，真正的基因组数据挑战了这一假设。当查尔斯·达尔文在1859年的《物种起源》一书中阐述自然选择进化论时，他关注的是适应——有机体能够在新的或不断变化的环境中生存。他认为，为了适应环境古代祖先的物种逐渐变得多样，从而形成了无数物种。这个概念如此强大，以至于我们会认为进化就是适应。令人惊讶的是，半个世纪以来，学术界普遍存在的观点是颇有争议的。自然选择是毋庸置疑的，但许多科学家认为，大多数进化出现在基因组水平上，本质上是随机和中性的。

博科园-科学科普：由自然选择培育的适应性变化可能确实会把一个鳍塑造成一只原始的脚，但这些变化只对进化过程做出了很小的贡献，在进化过程中，DNA的组成最常发生变化，而没有任何确切结果。但现在一些科学家反驳了这个被称为中性理论的观点，科学家认为基因组显示出的进化适应证据比这个理论所描述的要多得多。这场辩论之所以重要，是因为它影响了我们对生物多样性产生机制的理解，影响了我们对自然种群大小随时间变化的推断，影响了我们重建物种(包括我们自己的物种)进化史的能力。未来可能会是一个新时代，它借鉴了中性理论的精华，同时也承认了选择的真实、经验性支持的影响。

1、变异的“可观部分”

达尔文的核心观点认为具有不利特征的生物将通过消极或净化被自然选择慢慢淘汰，而具有有利特征的生物将更频繁地繁殖，并将这些特征传递给下一代(积极选择)。自然选择将有助于传播和提炼那些有价值的特性。在20世纪上半叶的大部分时间里，种群遗传学家大多将种群和物种之间的遗传差异归因于积极选择。但在1968年，著名种群遗传学家木村茂(Motoo Kimura)用他的中性分子进化理论抨击了适应论者的观点。简而言之，他认为物种内部和物种之间遗传变异的“可观部分”是遗传漂变结果，并且受有限种群中的随机性而不是自然选择的影响，大多数差异对生存和繁殖没有功能性后果。第二年生物学家杰克·莱斯特·金(Jack Lester King)和托马斯·朱克斯(Thomas Jukes)发表了《非达尔文进化论》(Non-Darwinian Evolution)。

木村教授提出的分子进化中性理论已经主导进化论领域半个世纪，但它仍面临着挑战。图片：Duong Thuy Nguyen for Quanta Magazine

随后新中性派和适应论者之间出现了两极化的辩论。尽管所有人都认为，自然选择将消除有害的突变，但中性派相信，基因漂变解释了种群或物种之间的大多数差异，而适应性论者则认为，基因漂变是适应特性的积极选择。耶鲁大学公共卫生学院(Yale School of Public Health)生物统计学家、进化生物学教授杰弗里•汤森德(Jeffrey Townsend)表示：很多争论都围绕着木村所说的基因变异的“可观比例”，是50%，5%还是0.5% ？我并不知道，因为木村对这个理论的最初表述是定性的而不是定量的，“他的理论不能被后来的数据所否定”。然而中性理论很快被许多生物学家所接受，这在一定程度上是受木村声誉影响的结果。

木村教授(Motoo Kimura)在1968年提出，大多数突变实际上可能是中性的，而不是有益或有害，这些中性突变频率的变化主导了基因组水平的进化。图片：Annual Reviews

安德鲁·柯恩（Andrew Kern）说：中性理论流行的原因是它让事情变得更简单。安德鲁·柯恩是俄勒冈大学的种群遗传学家，他和印第安纳大学的种群遗传学家马修·哈恩（Matthew Hahn）合写了一篇文章，为庆祝中性理论50周年的《分子生物学与进化》特刊撰稿。要将中性进化模型应用于一个种群，不必知道自然选择有多强，种群有多大，突变是显性的还是隐性的，或者突变是否与其他突变发生相互作用。在中立理论中，所有那些很难估计的参数都消失了。中性模型所需要的唯一关键输入是种群大小和种群每一代突变率的乘积。根据这些信息，中性模型可以预测种群中的突变频率如何随时间变化。由于其简单性，许多研究人员将中性模型作为一种方便的“零模型”。然而一些种群遗传学家并不相信木村的观点。

图片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

例如加州大学戴维斯分校的理论种群遗传学家约翰·吉莱斯皮(John Gillespie)在20世纪70年代早期就指出，一些基于自然选择的模型即使不能更好地解释自然界观察到的模式，也能解释中性模型。北卡罗来纳州大学夏洛特分校(University of North Carolina, Charlotte)的进化遗传学家丽贝卡·罗杰斯(Rebekah Rogers)说：即使没有足够的数据证明中性理论的零模型是错误的，但这并不意味着自然选择没有发生，只要数据有限，争论就会愈演愈烈。几十年来，问题的症结在于木村教授使用简易测序技术和聚合酶链反应出现之前提出了中性理论。当时基因序列数据很稀少，没有简单的方法来广泛地证明或反驳这一理论。因为对基因组变异了解不够，所以无法解决这个争议。

2、强烈的中性情绪

在木村发表文章50年后的今天，更简易的基因组测序和复杂的统计方法让进化理论家们在量化适应性变异和中性进化对物种差异的贡献方面取得了进展。在像人类和果蝇这样的物种中，数据揭示了广泛的选择和适应性，这也就引起木村最初的想法遭到强烈反对。柯恩和哈恩在最近的文章中写道：物种内部和物种之间的适应性变异无处不在，这意味着我们必须寻求一种更全面的分子进化理论。尽管绝大多数研究人员都同意，中性理论最初的表述是错误的，但许多人也指出，中性理论已经解决了自身缺憾。

最初的缺陷之一是，中性理论无法解释在不同种群大小物种之间观察到的不同基因组进化模式。例如，种群规模较小的物种平均具有更多的有害突变。为了解决这个问题，木村的一名学生、日本国立遗传学研究所名誉教授大田智子(Tomoko Ohta)在1973年提出了分子进化几乎中性理论。这一中性理论的修正版本表明，在严格意义上说许多突变并不是中性的，而是轻微有害。Ohta认为，如果种群规模足够大，自然选择将清除轻微有害的突变。然而在小群体中，自然选择的有效性较低，并且允许轻微的有害突变中性地进行。

马修·哈恩（Matthew Hahn）是印第安纳大学的种群遗传学家。图片版权：Sandee Milhouse

柯恩说几乎中中心理论也有问题，例如它没有解释为什么在不同的生物谱系中观察到的进化速率不同。为了应对这些挑战，Ohta和现任九州大学生物学教授榜眼秀德·立田 （Hidenori Tachida）在1990年开发了另一种近乎中性的模型。密歇根大学(University of Michigan)研究基因组进化的张建志（音译）说：对于近乎中性理论，人们的看法仍有很大分歧。几乎中性理论的预测得到了很好的证实。柯恩和哈恩不同意这一观点，几乎中性理论从一开始就解释不了什么，然后被迫从苛刻的数据中诞生出一个吸引人的想法。

3、中性进化理论到底有多少?

中性派和选择派之间正在进行的辩论并没有什么成果。相反这只是一个定量的问题，关于有多少选择在进行。这包括一些完全中性的，一些适度选择，还有一些非常严格选择的。汤森德大约10年前开始研究癌症，他发现癌症生物学家已经开始在一定程度上研究突变，揭示基因组中单个位点的突变率信息。这是大多数群体遗传学家从他们研究的野生群体中得不到的宝贵信息。然而，很少有癌症生物学家研究自然选择，这就是汤森德在进化生物学背景下给癌症领域带来的成果。10月底发表在《美国国家癌症研究所》(Journal of the National Cancer Institute)上的一篇论文中，汤森德和同事展示了他们对癌症突变的进化分析结果。

所能做的是在逐个位置基础上，量化不同突变的选择强度。癌细胞中充满了突变，但其中只有一小部分对癌症具有重要作用。这种选择强度揭示了不同突变对单个癌症病例的生长有多么重要——哪些突变是最有希望作为治疗的研究对象。这种选择强度的量化对于指导我们如何治疗癌症绝对必要，观点认为今天医生遇到了一个问题：我应该给这个病人用哪种药？他们没有量化这些药物靶向突变的重要性。这个进化框架将为选择正确的药物甚至预测特定肿瘤可能对治疗产生耐药性提供遗传基础。

虽然确定正在进行最强烈选择的突变显然是有用和重要的，但选择也可能对与选择目标相邻基因组区域产生微妙但重要的间接影响。间接影响的第一个线索出现在20世纪80年代和90年代——聚合酶链反应出现。这项技术使研究人员能够首次观察基因序列中的核苷酸水平变化。发现在基因组的任何特定区域，基因变异水平与重组率之间存在明显的相关性。重组是一个过程，在减数分裂，精子和卵细胞的产生过程中，染色体的父母副本相互交换DNA片段。这些重组重组了整个基因组的基因变异，分离了原本可能在一起的等位基因。

到2005年研究人员可以从各种各样的生物体中获得全基因组数据。他们开始发现遗传变异水平与各处重组率之间的明显相关性。这种相关性意味着，超越直接纯化选择和中性漂移的力量，正在造成基因组中变异水平的差异。基因组重组率的差异揭示了一种叫做基因搭便车的现象，当有利的等位基因与邻近的中性突变密切相关时，自然选择整体上倾向于于它们。基因搭便车行为意味着进化遗传学家突然有了一种全新的力量，叫做联系选择担忧，如果在一个群体中只有10%的基因组是直接选择的，那么关联选择意味着占有更大比例——可能是30%或40%。

图片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

如果这是真的，那么选择自适应变异间接形状邻近的基因组区域，导致情况中性等位基因的频率取决于遗传漂变，而不是有一个新图层的特性转化引起的选择，链接选择两代人之间会产生更多的方差。相关中性突变仍然是中性的，它们可能与有益的等位基因搭便车，但这种联系是随机的——它们很容易与有害的等位基因相连，并通过“背景选择”将其剔除。因此，中性突变的命运仍然是由偶然决定的。柯恩同意中性突变仍然是中性，但它们的行为并不像中性理论预测的那样。写道：在链接位点上的净化选择将在漂移之外增加等位基因频率，而背景选择和搭便车将导致比中性条件下更少的遗传变异。

4、中性模型和人类进化

柯恩和哈恩在论文中写道：虽然中性模型无疑已经产生了巨大的理论成果，但中性理论的解释力从来都不例外。在提出的50年后，在简易基因组测序和庞大的群体基因组数据集的时代，中性理论的解释力看起来更糟。最近的证据表明，人类的适应能力比我们想象的强得多，人类进化很大程度上是受到迁移的影响，为了适应新的气候和病原体必须进化。在2017年，柯恩发表的一篇论文表明，大多数人类的适应来自于基因组中存在的基因变异，而不是在人群中迅速传播的新突变。即便如此，华盛顿州立大学(Washington State University)的进化基因组学家奥马尔·科尼约(Omar Cornejo)说：

实际上只有大约1%的人类基因组对蛋白质进行了编码。大约20%的基因组控制着这些编码区域的表达时间和位置。但仍有大约80%的基因组具有未知的功能。基因组的非编码部分充满了重复的DNA序列，这些序列由转座基因元件或转座子引起，它们在基因组中复制和插入自己。芝加哥大学海洋生物实验室研究转座子作用的分子进化遗传学家伊琳娜·阿克希波娃（Irina Arkhipova）说：“在木村看来，这部分基因组基本上是中性的，即使这些转座子中的一部分确实影响了基因的表达。正因为如此，适用于基因组非功能性区域的中性模型可以被用来相当准确地推断人类(以及其他各种生物)的人口历史。

我们不知道自己是否在准确估计人类的人口历史，如果你在计算上中性地模拟一个人口进化过程，那么估计人口的方法就会起作用；但是引入关联选择，这些方法就失败了。柯恩不知道人类基因组中有多少比例是有功能的，但他相信基因连接涉及到基因组的很大一部分——尽管未知。随着人类基因组适应的证据越来越多，似乎基因组的很大一部分会受到链接选择的影响，我们只是不知道这个比例有多大。最近伯尔尼大学(University of Bern)和瑞士生物信息学研究所(Institute of Bioinformatics)的Fanny Pouyet及其计算遗传学同事在《eLife》期刊上发表了一篇论文，确定了这个数字，多达80- 85%的人类基因组可能受到背景选择的影响。

安德鲁·柯恩（Andrew Kern）是俄勒冈大学的种群遗传学家。图片：Courtesy of Andrew Kern/Christopher Perry

在他们进一步解释基因重组在DNA修复过程中可能引起的偏倚变化后，他们得出的结论是，只有不到5%的人类基因组是偶然进化的。正如eLife的编辑在他们论文总结中所指出的那样：虽然我们的大部分遗传物质是由非功能性序列构成，但绝大多数是在某种类型的选择下间接进化。随着生物学家学识别更微妙的选择线索，这一估计可能会爬升得更高。人口基因组学的新前沿关注的是身高、肤色和血压(以及其他许多方面)等多基因特征，这意味着它们是由数百或数千个基因共同作用的结果。例如，选择更高的身高，需要在许多分散的基因上积累变化才能产生效果。

同样当农民选择玉米品种以获得更高的产量时，这种影响通常同时出现在许多基因中。但根据柯恩的说法，在自然种群中检测多基因适应性是一项非常棘手的工作，因为这些基因很可能以复杂、非线性的方式相互作用。发现这些变化的统计方法才刚刚开始开发，对克恩来说，这将涉及到学习欣赏适应的“另一种味道”，因为它将涉及到个体突变频率的许多小变化，这些小变化共同影响着自然选择。换句话说，这是另一种影响基因组进化的非中性机制。正如中性理论在过去半个世纪中以各种形式发挥的作用一样，进化理论的未来也不可避免地取决于找到更好的方法来完成到底如何以及多少选择不可避免地塑造了我们的基因组的艰苦工作。

博科园-科学科普｜参考期刊文献:《分子生物学和进化学》,《国家癌症研究所期刊》,《遗传学与基因组学》

文：Viviane Callier/Quanta magazine/Quanta Newsletter

博科园-参考论文DOI：

DOI：doi.org/10.1093/molbev/msy092

DOI：doi.org/10.1093/molbev/msx154

DOI：doi.org/10.1093/jnci/djy168

DOI：doi.org/10.7554/eLife.36317.001

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