將進(jìn)化樹連根拔起！

物理學(xué)家凱爾文勛爵曾在1900年斷言:“物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西可發(fā)展了?！比欢痪煤?，就以相對(duì)論和量子物理學(xué)的興起為起點(diǎn)，引發(fā)了物理學(xué)上一場(chǎng)巨大的知識(shí)革新，當(dāng)然也證明了凱爾文的言論是錯(cuò)誤的。今天，或許歷史即將重演!隨著基因?qū)W和生物信息學(xué)對(duì)生命本質(zhì)的揭示越來越深入，生物學(xué)家們開始認(rèn)真籌劃:將達(dá)爾文當(dāng)年定義的進(jìn)化樹連根拔起!

1837年7月的一天，達(dá)爾文坐在小屋里，翻開記錄本，用紅色的羽毛筆寫下:“我認(rèn)為”，接著畫了一幅纖細(xì)的樹形結(jié)構(gòu)——這就是我們后來熟知的進(jìn)化樹，達(dá)爾文用它來解釋不同物種之間的進(jìn)化關(guān)系。到《物種起源》發(fā)表22年時(shí)，這棵柔弱的“小樹苗”已經(jīng)長(zhǎng)成一棵枝葉繁茂的“大樹”。

進(jìn)化樹以所有現(xiàn)存生物的共同祖先為基礎(chǔ)，伸展出樹干，從樹干不斷地分支，最后形成典型的大樹結(jié)構(gòu)。樹上的每一個(gè)分支都代表著一個(gè)單獨(dú)的物種，而分支點(diǎn)表示該物種在進(jìn)化上一分為二;如果樹枝終結(jié)于某個(gè)死角，就表明該物種已經(jīng)滅絕;成功到達(dá)樹枝頂端的則代表現(xiàn)存的物種。進(jìn)化樹試圖向人們展現(xiàn)曾經(jīng)存在于地球上的每一個(gè)物種之間的千絲萬縷的復(fù)雜關(guān)系，并追溯生命是如何從最初的形態(tài)走到了今天?？梢哉f，進(jìn)化樹在達(dá)爾文理論中的重要性絲毫不亞于自然選擇，它使進(jìn)化論在科學(xué)界大獲全勝。大家都相信進(jìn)化樹是自然界的一個(gè)客觀事實(shí)，雖然它還需要進(jìn)一步的補(bǔ)充，但基本上解釋了生物之間的所有關(guān)系。進(jìn)化樹已經(jīng)成為理解地球生命歷史的統(tǒng)一原則。

在過去的150多年里，生物學(xué)的進(jìn)步不斷灌溉滋潤(rùn)著進(jìn)化樹，而完善進(jìn)化樹所有的分支也成為科學(xué)家的終極目標(biāo)?？墒乾F(xiàn)在，進(jìn)化樹遭到越來越多的反面證據(jù)的攻擊，正逐漸成為碎片。更具爆炸性的言論是:根本沒有證據(jù)可以證明進(jìn)化樹是客觀存在的事實(shí)，它已經(jīng)過時(shí)了，應(yīng)該被丟棄了!

到底發(fā)生了什么?這還得從DNA的發(fā)現(xiàn)說起。

進(jìn)化樹錯(cuò)了?

DNA也就是脫氧核糖核酸，它和核糖核酸(RNA)都是決定生物遺傳的基本物質(zhì)。1953年，科學(xué)家弄清楚了DNA的分子結(jié)構(gòu)，分子進(jìn)化論由此誕生?？茖W(xué)家相信，只要能繼續(xù)破解DNA，就能很快揭開RNA等其他相關(guān)遺傳物質(zhì)的奧秘，當(dāng)然也就能為進(jìn)化樹提供更多的證據(jù)。因?yàn)閺睦碚撋险f，進(jìn)化樹上兩個(gè)靠得越近的分支，它們的遺傳物質(zhì)也應(yīng)該越相近。

研究在剛開始時(shí)進(jìn)行得很順利。上世紀(jì)70年代，科學(xué)家首先利用植物、動(dòng)物、微生物的RNA序列結(jié)果補(bǔ)充描繪了進(jìn)化樹的輪廓。其間，科學(xué)家意外地發(fā)現(xiàn)了單細(xì)胞古生菌——此前人們一直以為它們是細(xì)菌，其實(shí)它們是進(jìn)化樹上的一個(gè)不為人知的主要分支。在細(xì)胞結(jié)構(gòu)和代謝上，古生菌接近其他原核生物，但在分子遺傳學(xué)的特點(diǎn)上，它們并不明顯表現(xiàn)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極端環(huán)境中，比如間歇泉或者海底熱液口附近，這些地方有著極高的溫度(通常在100℃以上);還有的生存在很冷的環(huán)境或者高鹽、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性的水中。當(dāng)然，也有一些古生菌是嗜中性的，能夠在沼澤、廢水和土壤中生存。很多產(chǎn)甲烷的古生菌生存在動(dòng)物的消化道中，如反芻動(dòng)物、白蟻或者人類。一般說來，古生菌對(duì)其他生物無害，迄今未發(fā)現(xiàn)有致病古生菌。

具有諷刺意義的是，到上世紀(jì)90年代早期，相悖的證據(jù)浮出水面?？茖W(xué)家在分析古生菌的DNA時(shí)，發(fā)現(xiàn)它與其RNA的分析結(jié)果并不總是保持一致。例如，有時(shí)候RNA分析表明物種A在進(jìn)化樹上比C更接近B，但DNA分析所反映的情況卻正好相反。像這樣自相矛盾的結(jié)論究竟哪一個(gè)才是對(duì)的呢?一個(gè)可能的答案是:DNA與RNA的結(jié)論都對(duì)，只要進(jìn)化樹不存在!

進(jìn)化樹真的錯(cuò)了嗎?讓我們先來看看進(jìn)化樹成立的前提是什么。達(dá)爾文認(rèn)為進(jìn)化的方向是垂直的，也就是說生物的遺傳特征必定由父母?jìng)鬟f給子女。但是，如果在物種之間還存在著遺傳物質(zhì)的交換，或進(jìn)行了雜交，那么進(jìn)化樹就會(huì)迅速演化成枝丫交錯(cuò)的灌木叢，使得物種分支在某些方面非常相近，在其他方面又相去甚遠(yuǎn)。

我們現(xiàn)在可以精確地知道這個(gè)過程到底是怎樣發(fā)生的。顯然，在細(xì)菌與古生菌之間存在著基因水平轉(zhuǎn)移的情況，也就是說，它們不僅將DNA傳遞給下一代，彼此之間也在交換DNA。更為重要的是，基因水平轉(zhuǎn)移并不是生物界偶然出現(xiàn)的，也不是某個(gè)次要的作用因素，它在生物界廣泛存在。

是“樹”還是“網(wǎng)”?

一旦認(rèn)識(shí)到基因水平轉(zhuǎn)移并非次要因素，生物學(xué)家就開始重新審視進(jìn)化樹的意義。早在1993年，就有科學(xué)家指出，細(xì)菌和古生菌在進(jìn)化樹上更像一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。1999年，又有科學(xué)家聲稱:“進(jìn)化樹已經(jīng)不再適合被畫成一棵樹了。它并不存在于自然界中，而是人類擅自對(duì)自然界進(jìn)行的歸類?！庇谑且粓?chǎng)關(guān)于進(jìn)化樹的論戰(zhàn)終于爆發(fā)了，對(duì)進(jìn)化樹持不同觀點(diǎn)的研究者紛紛“參戰(zhàn)”。支持者開發(fā)出復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序，試圖畫出更加完美的進(jìn)化樹來駁倒反對(duì)者，而反對(duì)者也毫不客氣地指出進(jìn)化樹不合實(shí)際，是丟棄它的時(shí)候了。

2006年，支持進(jìn)化樹的科學(xué)家們雄心勃勃地檢測(cè)了真核細(xì)胞、細(xì)菌、古生菌等191種物種的基因序列，他們最終確認(rèn)了31個(gè)核心基因，這些基因都沒有出現(xiàn)基因水平轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。計(jì)算機(jī)的描繪也顯示:從大腸桿菌到大象，彼此的親緣關(guān)系幾乎完美地符合進(jìn)化樹。然而，反對(duì)的聲音很快出現(xiàn):僅僅繪制出31個(gè)核心基因是沒有意義的，它們所代表的不過是一種動(dòng)物全部基因組的1%的內(nèi)容，別說組成一棵繁茂的大樹，就連畫出一株幼苗都很難。于是，在不經(jīng)意間，“只有1%是樹結(jié)構(gòu)”反而成為證明進(jìn)化樹多余的最好證據(jù)。

究竟要不要砍掉進(jìn)化樹呢?2008年，有科學(xué)家從181個(gè)原核生物中檢測(cè)了數(shù)十萬的基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中有80%表現(xiàn)出了基因水平轉(zhuǎn)移。更令人驚訝的是，陸續(xù)進(jìn)行的很多研究都表明，基因水平轉(zhuǎn)移是一種自然規(guī)律。

同時(shí)，越來越多的研究認(rèn)為，真核細(xì)胞源于兩個(gè)原核細(xì)胞的融合?？茖W(xué)家猜測(cè)這一過程最初也許并不復(fù)雜，僅僅是一種原始的合并過程:這些原核細(xì)胞將自身的基因組進(jìn)行整合，從而形成雜交的基因組。這顯然也屬于基因水平轉(zhuǎn)移的一種方式。如此看來，細(xì)菌和古生菌在進(jìn)化上就構(gòu)成了一個(gè)圓圈，而不是從屬的分支。事實(shí)上，有關(guān)研究越深入，就越證明進(jìn)化樹太過簡(jiǎn)單，無法充分說明整個(gè)生命史。我們不應(yīng)該忘記，細(xì)菌和古生菌在這個(gè)地球上至少已經(jīng)存在了38億年，而多細(xì)胞生命出現(xiàn)在地球上不過是6.3億年前的事，即便在今天，細(xì)菌、古生菌和單細(xì)胞真核生物在生物界也至少占據(jù)了90%的比例，它們是地球上生存能力最強(qiáng)、絕對(duì)數(shù)量最多、分布最廣的生命形式。如果僅僅因?yàn)槎嗉?xì)胞生命是按照樹枝途徑進(jìn)化的，就說地球上的所有生命都是這樣進(jìn)化而來的，這肯定是錯(cuò)誤的。

“如果真的存在一棵進(jìn)化樹，這棵樹也僅僅只是生物界整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)小小部分?！笨茖W(xué)家如是說。

普遍存在的“混血兒”

事實(shí)上，在多細(xì)胞動(dòng)物的進(jìn)化過程中，也常常出現(xiàn)個(gè)體間彼此交換基因片段的現(xiàn)象，例如雜交就在其進(jìn)化中起到了非常重要的作用，它所產(chǎn)生的“混血兒”至今仍生活在地球上。

早在1985年，就有生物學(xué)家對(duì)此做出了預(yù)測(cè)，只不過那時(shí)沒有確鑿的證據(jù)。幾年前，科學(xué)家在奶牛的遺傳物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了蛇的基因片段;2008年，科學(xué)家又在8種動(dòng)物(小鼠、大鼠、嬰猴、小棕蝙蝠、無尾猬、新袋鼠、變色蜥和非洲爪蟾)中發(fā)現(xiàn)了一組罕見的DNA片段，但在包括人類、大象、雞、魚在內(nèi)的其他25種生物中卻沒有發(fā)現(xiàn)這種DNA片段。這一事實(shí)說明，即便是高等動(dòng)物，其DNA片段也不一定是垂直下傳的，很可能也存在水平轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

最近，科學(xué)家對(duì)普遍存在于人類、青蛙、海鞘、海膽、果蠅和線蟲中的2000種基因片段進(jìn)行了比較。從理論上講，科學(xué)家應(yīng)該可以構(gòu)建出一幅詳盡的進(jìn)化樹圖，用以說明這6種生物之間的關(guān)系，但他們失敗了，問題就出在不同的基因之間有著相互矛盾的進(jìn)化故事。以海鞘為例，在通常情況下，海鞘是一種有被膜的動(dòng)物，連同青蛙、人類和別的脊椎動(dòng)物一起被歸納在脊索動(dòng)物門中。但是，海鞘的基因特征所表現(xiàn)出來的卻是一種混合信息:其中一些符合它們的歸類特征，另一些卻是其他種類生物的特征。對(duì)這種現(xiàn)象最合理的解釋是，海鞘是進(jìn)化上的一個(gè)生物雜合子，或許它們是在6億年前，由早期的海鞘祖先與海膽類動(dòng)物融合而成的。事實(shí)上，雜交在動(dòng)植物的進(jìn)化中起到了非常重要的作用。有證據(jù)表明，早期的現(xiàn)代人，比如直立猿人和尼安德特人就存在著通婚現(xiàn)象。

這些研究都將生命的進(jìn)化路線從進(jìn)化樹上岔開了。

藏匿深海的雙重生命

以前科學(xué)家認(rèn)為雜交的個(gè)體無法再繁衍后代，但事實(shí)不是這樣的。海洋生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，許多海洋動(dòng)物都有著奇異的雙重生命——它們?cè)谟紫x階段的外形特征和成體時(shí)完全不同，這種轉(zhuǎn)變被稱為“變態(tài)”。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，變態(tài)是一個(gè)逐漸演化的過程，幼蟲階段的特征有助于成長(zhǎng)，成蟲階段的特征有助于擇偶，各自發(fā)揮著不一樣的作用。但有科學(xué)家指出，如果分別根據(jù)它們幼蟲和成蟲的共同點(diǎn)繪制出各自的譜系圖，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩張圖千差萬別，完全無法統(tǒng)一?？茖W(xué)家目前相信，變態(tài)可能早在遠(yuǎn)古時(shí)代就出現(xiàn)了:兩個(gè)獨(dú)立的物種隨機(jī)融合，形成新的物種，而后它在進(jìn)化中重復(fù)出現(xiàn)。這聽起來簡(jiǎn)直不可思議，但科學(xué)家解釋說，許多海洋動(dòng)物在交配時(shí)，都是將各自的精子和卵子排放到水里，然后讓它們自己進(jìn)行最佳的組合，這種方式本身就使雜交的概率增大了。在漫長(zhǎng)的進(jìn)化路上，哪怕在100萬年中只發(fā)生一次，比如一個(gè)物種的精子和另一個(gè)物種的卵子相融合，新物種就兼?zhèn)淞藘烧叩墓餐颍谑撬鼈兙蜁?huì)在不同的發(fā)育階段表現(xiàn)出不一樣的外在形態(tài)。

這同時(shí)也解釋了為什么海底會(huì)出現(xiàn)那么多千奇百怪的生物，即我們所謂的“怪物”。以海星為例，生長(zhǎng)早期的海星看起來是一條細(xì)小的幼蟲，在其體內(nèi)可以觀察到一種海星樣的結(jié)構(gòu)，它隨著幼蟲的成長(zhǎng)而不斷長(zhǎng)大成熟，并逐漸遷移到幼蟲體外;當(dāng)幼蟲在海底定居后，這個(gè)結(jié)構(gòu)便與幼蟲的軀體徹底分離，并形成我們通常所看到的成體海星。不過，在砂海星還會(huì)發(fā)生更讓人吃驚的事:當(dāng)海星樣的結(jié)構(gòu)和幼蟲分開后，幼蟲的剩余軀體居然還能繼續(xù)存活幾個(gè)月。這種現(xiàn)象幾乎讓科學(xué)家無言以對(duì)，他們認(rèn)為:“很難想象只有一套基因組的動(dòng)物是怎樣做到這一點(diǎn)的!只能說控制幼蟲生長(zhǎng)的基因與控制成體的基因是不一樣的?！?/p>

現(xiàn)在，大多數(shù)進(jìn)化生物學(xué)家都開始認(rèn)識(shí)到進(jìn)化樹并非一個(gè)事實(shí)，而是我們強(qiáng)加給自然界的。他們鄭重申明:“生物學(xué)的復(fù)雜性堪比量子力學(xué)!”重新認(rèn)識(shí)和修訂進(jìn)化樹，或許將成為當(dāng)代科學(xué)界的一場(chǎng)巨大而成功的革命。進(jìn)化樹曾經(jīng)讓我們更好地認(rèn)識(shí)了進(jìn)化論，這是事實(shí)，但現(xiàn)在我們對(duì)于進(jìn)化論的了解更加完善，因此是時(shí)候移除進(jìn)化樹了。有生物學(xué)家已經(jīng)將進(jìn)化樹連根拔起了，他們正掄起斧頭，朝著剩下的殘枝砍去。

19世紀(jì)，達(dá)爾文和華萊士扳動(dòng)了發(fā)動(dòng)一場(chǎng)科技革命的開關(guān);到20世紀(jì)30、40年代，英國(guó)遺傳學(xué)家們又聯(lián)合起來，將進(jìn)化論放到了更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)性階段;而現(xiàn)在，我們期待著第三次革命的到來。當(dāng)然，科學(xué)家也告誡我們，拔掉進(jìn)化樹并不等于否定進(jìn)化論，只能說生命在進(jìn)化過程中的表現(xiàn)并非那么中規(guī)中矩。