進(jìn)化相對論

20世紀(jì)50年代，芬蘭生物學(xué)家比約恩·庫爾滕發(fā)現(xiàn)他研究的馬化石有些異常。他比較了幾代不同科的馬骨頭形狀，觀察到不少細(xì)微卻重要的變化。而相隔數(shù)百萬年的馬骨，在形態(tài)上卻幾乎沒有多大差異。后半個世紀(jì)的后續(xù)研究也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果：生物學(xué)家在較短的時間跨度中追蹤生物體時，發(fā)現(xiàn)其進(jìn)化速度似乎更快。

21世紀(jì)20年代中期，悉尼大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家西蒙·何分析基因組時遇到了類似情況。當(dāng)時西蒙在計算幾千年間鳥類和靈長目動物的基因突變速度，他發(fā)現(xiàn)基因組處處都有微小的突變，這表明了進(jìn)化速度之快?？墒撬麑⒛攴堇h(yuǎn)，比較數(shù)百萬年間的DNA序列時，卻注意到了異常情況——進(jìn)化速度明顯變慢了。

西蒙對這個結(jié)果很是困惑，于是他開始深入研究其中的緣由。期間他偶然發(fā)現(xiàn)了庫爾滕在1959年的研究，他意識到，物種在不同時間跨度中形態(tài)變化的程度不同，基因序列的差異也是如此。

作為一位進(jìn)化生物學(xué)家，直覺告訴他，他在短期內(nèi)看到的突變速率是正確的?；蚪M僅在幾個地方發(fā)生了突變，每處變化都像白墻上濺上的油漆點(diǎn)—樣明顯。

但是，墻壁若濺上更多的油漆，墻上原本的顏色就會被逐漸掩蓋。同理，進(jìn)化過程和自然選擇調(diào)整了短期內(nèi)出現(xiàn)的基因突變現(xiàn)象。在數(shù)百萬年里，DNA序列中的A堿基（腺嘌呤）可能會突變?yōu)門堿基（胸腺嘧啶），但是在其中的某段時間內(nèi)，A堿基可能會暫時突變?yōu)镃堿基（胞嘧啶）或者G堿基（鳥嘌呤）。西蒙認(rèn)為這種飽和突變是突變速率隨著時間跨度不同（他稱之為時間相關(guān)速率現(xiàn)象）而變化的主要原因。

“把它想象成股市?！蔽髅烧f。標(biāo)普500指數(shù)每小時或者每日的起伏波動都非常不穩(wěn)定，忽高忽低?？墒?，長遠(yuǎn)看來，每日的波動幅度開始趨于平衡，股市變得更加穩(wěn)定。同理，隨著時間的推移，自然選擇會逐漸淘汰那些不太有利和更有危害性的突變。

西蒙的研究發(fā)現(xiàn)對生物學(xué)有重要意義。這意味著，從數(shù)十億年前真核細(xì)胞與原核細(xì)胞的第一次分裂到2014年埃博拉病毒再次爆發(fā)，生物史上很多被當(dāng)作里程碑的時間點(diǎn)有可能是錯誤的。澳大利亞國立大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家羅伯·蘭費(fèi)爾說，“聽說這個結(jié)論時，每個人都在驚呼‘噢，噢，天吶！’。”

起初該研究結(jié)果并未得到完全認(rèn)可。一方面，這個概念范圍太大、意義非凡，生物學(xué)家需要時間想明白。此外還有—個更大的障礙：這個概念存在于每一個進(jìn)化過程，但是很難應(yīng)用。生物學(xué)家應(yīng)該對之前推測的進(jìn)化史做多少改動呢？目前他們還難以進(jìn)行準(zhǔn)確的量化?？茖W(xué)家不能精確計算進(jìn)化率的變化，就沒有辦法比較進(jìn)化事件的具體時間。

最近，牛津大學(xué)古生態(tài)學(xué)家艾利斯卡特勞拉克斯采用了時間相關(guān)速率現(xiàn)象，并將其應(yīng)用于研究病毒的進(jìn)化過程。研究期間，他不但將幾類反轉(zhuǎn)錄病毒的起源推到約5億年前（遠(yuǎn)早于動物首次從海洋遷移到陸地的時間），還開發(fā)了—種能夠解釋時間相關(guān)速率現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，為生物學(xué)家提供更準(zhǔn)確的進(jìn)化事件日期。

科學(xué)家對此研究的前景興奮不已。“這就像愛因斯坦的相對論，不過是病毒領(lǐng)域的，”墨西哥大學(xué)計算進(jìn)化生物學(xué)家塞巴斯蒂安·杜赫如是說。根據(jù)時間相關(guān)速率現(xiàn)象，生物的進(jìn)化速度將取決于觀察者研究的時間范圍，和相對論一樣，研究人員現(xiàn)在可以通過時間范圍來計算進(jìn)化速度。

卡特勞拉克斯一生致力于探尋艾滋病病毒以及其他逆轉(zhuǎn)錄病毒的起源，這些病毒由單鏈核糖核酸組成。

他在研究艾滋病病毒的突變速率時發(fā)現(xiàn)，它是進(jìn)化速度最快的已知病毒之一。而且這種極高的變異率不無道理：DNA等雙鏈分子能夠進(jìn)行自我校對，可以糾正復(fù)制過程中的錯誤，但是艾滋病和其他單鏈RNA病毒卻沒有這種功能，所以編譯錯誤層出不窮。

正因如此，病毒學(xué)家只能研究類似病毒的近代史。較老的病毒樣本都已達(dá)到突變飽和，科學(xué)家還未能解釋所有突變進(jìn)程中日積月累下來的編譯錯誤。要想研究逆轉(zhuǎn)錄病毒數(shù)千年甚至數(shù)百萬年來的突變率，普通方法可行不通，于是卡特勞拉克斯采用了另一種技術(shù)：他開始在宿主DNA序列中尋找類似于病毒化石的東西。逆轉(zhuǎn)錄病毒會把遺傳物質(zhì)復(fù)制儲存到宿主細(xì)胞中，大多數(shù)情況下，這些信息會隨著宿主的死亡而消失。但是幸運(yùn)的話，反轉(zhuǎn)錄病毒會侵入精子或者卵細(xì)胞的染色體中。在DNA里安家后，這些病毒會隨著宿主繁衍生息而世代流傳下來。然而，這種情況非常罕見。

于是，卡特勞拉克斯打算用這些病毒殘骸來研究逆轉(zhuǎn)錄病毒的古老起源，但研究結(jié)果卻出人意料。他發(fā)現(xiàn)，漫長歲月中，這些逆轉(zhuǎn)錄病毒的進(jìn)化過程十分緩慢，幾乎和人類等復(fù)雜生命體的進(jìn)化速度相同。按理來說，復(fù)雜生命體有校對機(jī)制，進(jìn)化過程會比病毒慢得多。

如果逆轉(zhuǎn)錄病毒的進(jìn)化速度真比科學(xué)家們預(yù)想中慢得多，那就意味著它們存在的歷史會更加久遠(yuǎn)。畢竟，與進(jìn)化快的病毒相比，進(jìn)化較慢的病毒需要更多時間來達(dá)到相同的進(jìn)化程度。

于是他開始尋找定位逆轉(zhuǎn)錄病毒的準(zhǔn)確起源時間。為此，他著手研究了一批世界上最古老的逆轉(zhuǎn)錄病毒，也就是所謂的泡沫病毒。這些病毒幾乎可以感染從猴子到奶牛的一切生物。如此，卡特勞拉克斯便能校準(zhǔn)“進(jìn)化鐘”，確定泡沫病毒的準(zhǔn)確起源時間。如果兩個物種共享同樣的泡沫病毒序列，那么，在這兩種物種分化之前，泡沫病毒就已經(jīng)感染了它們共同的祖先。

“這讓我們可以獲悉遠(yuǎn)古進(jìn)化事件的發(fā)生時間，而且這種方式不需要依賴基因序列本身?！笨ㄌ貏诶怂拐f道。

世界各地的研究人員已逐漸將泡沫病毒的起源時間推至一億年前。但卡特勞拉克斯發(fā)現(xiàn)，這種病毒感染爬行動物、兩棲動物甚至魚類的歷史遠(yuǎn)在一億年前。但想要證明逆轉(zhuǎn)錄病毒的歷史遠(yuǎn)超過廣泛接受的一億年，卡特勞拉克斯需要確定泡沫病毒本身的起源時間。

他仔細(xì)閱讀了西蒙關(guān)于時間相關(guān)速率的論文，希望能弄清如何將其運(yùn)用到病毒研究中。同時，他還想建立一個通用模型，讓研究人員能夠通過輸^他們所觀測到的時間范圍，直接獲得有關(guān)生物體進(jìn)化速度的細(xì)節(jié)。

卡特勞拉克斯和他的學(xué)生帕坤·埃尤薩昆嘗試了四種不同的方式，以確定進(jìn)化速度是如何隨不同時間范圍而改變的。他們發(fā)現(xiàn)，冪定律衰減模型最符合他們的數(shù)據(jù)，進(jìn)化速度隨著時間范圍的擴(kuò)大而呈現(xiàn)幾何級數(shù)的減小。緊接著，他們對396種病毒進(jìn)行了研究。研究顯示，幾乎所有的基因組類型和自我復(fù)制策略的進(jìn)化速度都以相同的速度放緩?，F(xiàn)有的進(jìn)化鐘并未將時間相關(guān)速率現(xiàn)象納入考慮范圍，從而錯誤地預(yù)估了遠(yuǎn)古病毒的起源時間。實際上，它們要古老得多。

然后，卡特勞拉克斯和埃尤薩昆利用最新開發(fā)的數(shù)學(xué)模型來重新計算泡沫病毒的起源時間。他們在一月份發(fā)表的一篇論文中提出，泡沫病毒的起源時間大概在4.6億年前至5.5億年前之間。與此同時，亞利桑那大學(xué)病毒學(xué)家邁克爾.沃羅貝也在《病毒進(jìn)化》雜志上獨(dú)立發(fā)表的論文中提出，這些病毒起源于更早的時期。盡管研究推算出了已知病毒的最早起源時期，但卡特勞拉克斯認(rèn)為，還有可能存在更古老的病毒。

這些對遠(yuǎn)古病毒起源時間的新發(fā)現(xiàn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了事件的本身意義。科學(xué)家對泡沫病毒起源時期的研究結(jié)果不謀而合，這證明，時間相關(guān)速率現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)不僅得益于對病毒殘骸的統(tǒng)計，也得益于研究人員鑒定物種起源年代的方法?？ㄌ貏诶怂沟哪Ｐ鸵矠檠芯咳藛T提供了量化時間相關(guān)速率現(xiàn)象的工具，而且他的模型對人們理解這一現(xiàn)象背后的因素具有十分重要的意義。

從廣義上說，卡特勞拉克斯和西蒙的發(fā)現(xiàn)有力挑戰(zhàn)了之前進(jìn)化速度維持不變的觀念?！斑@個發(fā)現(xiàn)改變了我們對分子進(jìn)化的理解，”杜赫說道，“而且讓我們知道，生物的進(jìn)化速度不具有普遍性，甚至同一物種的進(jìn)化速度也隨著時間的推移而變化?！?/p>

這也意味著，科學(xué)家們可能需要修正遠(yuǎn)古進(jìn)化事件的發(fā)生時期，因為他們之前嚴(yán)重低估了這一時間，卡特勞拉克斯表示。目前，他正試圖弄清自然選擇和突變飽和是否是導(dǎo)致時間相關(guān)速率現(xiàn)象的唯一原因，如果還有其他原因，這些原因又是如何導(dǎo)致這—現(xiàn)象的。

“究竟是我們使用的工具具有局限性，還是我們忽視了什么東西？如果能搞清這一過程，那么我們會對進(jìn)化有更深刻的理解?！笨ㄌ貏诶怂拐f。