导读
自人类基因组草图公布后，基因测序技术不断发展，不仅重构物种的演化规律，同时也让我们了解人类生老病死的规律。
最近，浙江大学生命演化研究中心主任张国捷教授为我们讲解分子生物学如何重构物种演化规律。
张国捷（浙江大学求是讲席教授）｜嘉宾
深究科学｜来源
01
如何了解物种的演化规律？
在过去，大部分不做演化生物学的人，会觉得做演化生物学，只是在了解历史，重现历史。当然演化生物学，自达尔文或华莱士提出自然选择学说之后，我们回答的实际上是有两个大方向，第一个是所谓的共同祖先理论，就是构建生命之树这样的很重要的工作。任何的比较基因组研究或者比较生物学研究，跨物种研究都需要在正确的生命之树的框架底下来开展。
阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士
查尔斯·达尔文
基于16S 核糖体RNA序列分析重建出的地球生命演化树
演化生物学还有一个很重要的课题，是研究背后的演化规律。所谓的规律，主要是用来了解生命演化的内在驱动力，以及外在环境之间如何协同调控，如何影响个体的差异，以及物种演化的过程，这里面有很多经典的问题需要去解答。
生命之树研究，不光只是了解人类是怎样演化出现的，人类跟类人猿或者是其他灵长类之间的关系，我们也要了解全世界各种各样的生物和生态系统里所有的物种，它们是怎么样演化过来的。
02
了解生命演化规律的技术有哪些？
包括各种组学的数据、各种组学的手段，以及现在看到的任何分子生物学的数据，或者是技术，可能都是在我们领域里面能做一些形态学研究的。
那就有更丰富的手段，用核磁共振、ECT扫描或者是利用仿生的机器人这样的重构，来重现物种的组成。各种各样的动物学手段或者是工科、物理、化学的很多手段，其实都用来回答相关的研究。
03
分子生物学解决了哪些进化问题？
本身理论的一些相关探讨，是一直在不断地变化，特别是新的技术、新的学科出现之后不断的融合。
以我们的研究为例，我们其实感兴趣并且很重要的几个方面，第一个是物种起源的问题，达尔文提出共同祖先的理论，基本内容就是共同祖先的群体，可能分成两个小群体，逐渐走向不同的环境，分开之后，两个群体逐渐的产生基因之间的差异，最后由于缺乏基因交流，不断的积累变异之后，就形成了两个不同的物种。
这样基本的模型，是对于我们理解物种的形成非常重要，基于这样的模型，我们希望能够理解祖先变成两个物种，往深一点，两个物种的共同祖先跟另外的物种，可能在更早的时间分化，所以逐渐的搭建起来生命之树，我们可以把它简单理解成描述历史事件发生的地图。这可以告诉我们，物种是什么时候开始出现的？它的最近缘的物种是什么？它们的共同祖先在哪里？有这样基本的信息之后，才能够有的放矢的去做一些跨物种的比较研究。
自从达尔文提出共同祖先理论之后，构建生命之树变成了很重要的科学问题，包括人类在内，我们会问这么一个问题，人是从哪里来的？
在过去，基于对形态学的研究，它构建出来的物种关系树，不见得是准确的。因为我们知道的形态是演化的结果，那过程中，有可能不同的物种，在相同的生存环境里面，由于趋同的演化，导致相同的性状出现，如果说你纯粹用形态的构建，可能会把这两个物种聚在一块，认为这两个可能有共同的祖先，实际上它是独立形成了相同的性状。
分子生物学出现之后，就会看到分子树跟形态树之间有很大的冲突，这种冲突，在很多个物种类群里面都出现过，哺乳动物，包括人类在内。到底黑猩猩跟大猩猩哪个是近缘的物种？19世纪中期，赫胥黎提出人跟大猩猩或者黑猩猩是我们最近缘的物种，直到分子生物学的手段，血清蛋白这种技术出来后才确认，黑猩猩是人类最近缘的物种，大猩猩则更远一些。
话题的争论直到基因组学出来之后，利用全基因组的数据重构了它们之间的关系，才发现确实跟黑猩猩是最近的。但是，人的基因组上面确实有15%的区域跟大猩猩更近。
基因演化的过程是非常复杂的，不见得所有的基因都遵从物种的演化和关系，因为这是群体遗传学的问题，就是宿主理论。我们可以推算出来，在群体比较大的情况下祖先有多大性能，它有可能是随机的分选到后续产生的物种里面，由于遗传漂变，使得有些物种丢失，有些物种保留下来，最后基因型所构建出来进化树，实际上跟物种树可能是不一样的。
当然还有一些复杂的现象，物种形成之后，它可能会跟另外物种存在杂交的现象，比如说我们熟知的现代人类，跟尼安德特人或者是丹尼索瓦人，就存在这样的杂交现象。这种现象在很多个物种类群里面都存在，在过去利用分子生物学的手段，在理解物种的起源过程中提供了非常大的帮助。
除了构建生命之树之外，还要回答物种形成后，它如何适应不同的环境，比如说北极熊如何适应冰冷的环境，特殊的极端的环境相对于物种的生存有极大的胁迫力。但是，很多物种实际上是能够适应不同的生存环境的，那就给我们提供很好的材料来理解生物基因产生的功能，如何适应这种环境，或者会产生新的性状，这些是理解物种不同生存环境的适应能力，为我们的寻找基因型以及表型之间的关联很好的手段。
04
鸟类基因组有哪些有趣的发现？
我们的目标当然是希望能够尽量全的去解读所有的鸟类的基因组，收集它的表型以及生态学的信息之后，能够给出完整的信息，得知鸟类的演化的历史生物多样性的基础分子机制是什么？显然我们不可能说随便有什么样的样品，我们就测什么样的基因组，是根据所谓物种类群，划分界、门、纲、目、科、属、种，鸟它是纲。
我们从目、科、属、种四个阶段逐渐开展的，2014年我们已经完成了目级别项的工作，2020年我们发布的内容，包括现在的工作，是一系列相关的成果。
它属于目级别或者科级别的工作，当然我们是在鸟类目或者科里面挑选代表性的物种，以这些物种来作为目类群的代表物种，开展相关的比较的研究。在前面阶段，围绕的是构建生命之树，也就是来回答鸟类辐射性演化的过程，是哪些类群先出现的？哪些类群是后出现的？那这样的先后顺序，不同物种之间分类的地位，以及不同物种之间的亲缘关系，在目级别跟科级别分别构出来目级别的树、科级别的树，鸟类有在不同的学科里，有很多广泛的应用。
包括生态学里用鸟类做研究模型，演化生物学更不用讲，研究各种各样的性状，在生物地理学研究鸟类类群在全世界的分布，它分布的一些规律做病毒研究，比如禽流感它是如何来传播的？那可以说在过去，生命之树之间冲突是巨大的，所以用的树，实际上是不同的研究用的不同的树，得到了结论不一定是正确的。这次我们是给出了统一的全基因组数据，最多的数据来支持下的物种生命之树，为它的可靠性提供了更好的科学的依据，也是最重要的成果。
当然，我们在过去有一系列相关工作，来理解比如鸟类的性状是如何来演化的，鸟类的一些骨骼系统，所有的鸟类里面都没有牙齿？那牙齿丢失的过程是什么？鸟类翅膀的发育、羽毛的发育以及一些生理生态特征。我们利用鸟类的基因组数据，我们可以来回推这些鸟类在过去100万年里面，它们种群演化的历史演化，它跟气候关系是什么样的？寒冷环境或者是气候变暖的情况下，哪些物种更容易适应的？能够让我们做一些相关的未来的预测，对保护生物学有很重要的借鉴的意义，来回答在当下全球气候变暖，哪些鸟类能够更好地适应？
那下一个阶段，我们已经完成了目级别、科级别的这两个阶段的工作，现在我们正在组织的是属级别相关的工作，差不多有2000多个，我们已经收集了差不多有4000个物种，那我们希望能够进一步的来构建属级别的生命之树。
05
基因组如何揭示灵长类动物演化？
想要回答这个问题，就是人为何为人？这样的命题的情况下，我们不光要了解人自身基因组或者是自身的功能，它是基于跟其他物种比较的研究上面得到的一些相关结论，比如我们人类大脑的相对脑容量的变大，它是基于跟其他灵长类的比较上面得到一些结论。
这个课题是四年或五年前组织的灵长类基因组的研究，我们是联合的国内以及国外的好几个课题组，差不多有50个灵长类基因组相关的比较研究，来理解人类每个基因或者每个碱基漫长的演化历史，它在哪个时间节点出现的。那同时我们也希望能够借助项目来了解复杂性的性状，比如说灵长类特殊的就是社会组织，那这样的社会结构是如何来出现的，对大脑影响是怎样的变化，是否会影响到社会形态或社会组织形式的出现，也希望能够借助这样数据，更好的去理解灵长类分化的历史。
刚才讲的共同主祖先的理论，比如说生命之树的说法，但过程中有很多的“人”，虽然跟黑猩猩也是最近缘的物种，但这里边还有15%的区域是跟大猩猩更像的，出现这个现象，是因为不完全谱系分选这种特殊现象导致的。同时物种之间，还存在跨物种杂交，虽然我们希望能够通过这样的数据，更充分的理解这两种现象，对于灵长类的类群或新物种的出现，会有什么样的影响，我们除了构建生命之树，也发现在整个灵长类的过程中，不完全谱系分选的影响非常广泛。同时还有跨物种之间杂交，比如说课题组的合作，云南大学的于黎教授跟兰州大学的课题组，他们就比较研究发现，川金丝猴种群跟黔金丝猴存在一些杂交的现象，杂交可能也会形成全新的物种。
杂交成种这样的现象，在哺乳动物里面是非常罕见的，特别是在灵长类中，过去从来没有报道过。
我们跟昆明动物所吴冬冬课题组，也发现在猕猴属里边的一些类群，也是通过物种杂交的现象形成全新的物种类群，这些对于整个灵长类演化或者是灵长类新类型的出现，提供了很多新的见解。
06
分子生物学对人类疾病的帮助
疾病是一种表型，只不过这种表型，对于个体来讲，它可能不那么舒服或者说是不适应，使得个体死亡，或者是出现各种症状，绝大部分可遗传的，这种疾病都是由DNA突变引起的。另外一个说法是演化的动力，我们从演化的视角来看，就是不存在这种突变，如果没有突变，相当于我们就没有演化的动力了，那一旦外在环境变化，我们就没办法储备一些遗传变异来应对不同的环境。对疾病来说，我们当然希望突变控制在一定的范围里面，不能太大。从个体的来看，突变当然不要太多，因为很多突变都是有害的。
单从演化视角，就是不能让突变速率变成0，所以突变率到底应该是要维持到什么的范围，不会产生太多的疾病。同时对于演化还是有这种驱动力，那就是每个物种，会存在不同的突变率的范围，那突变速率的范围是由什么来决定的，是很重要的问题。或者是换个说法，就是为什么人相对黑猩猩或者其他的灵长类，我们的突变速率是更小，比如小鼠的突变速率比大部分灵长类的物种还要大，那又需要回答核心的问题，突变速率为什么会有不一样？通过去年的研究工作，我们就揭示了突变率本身，我们是可以把它当成性状来研究，因为突变速率在群体里面相对比较稳定，所以我们可以把它当成是物种特有的性状。
我们发现决定或者影响突变速率的大小，很重要的因素是每个物种的繁殖效率，如果说产的后代越多,那它可能每年积累的突变速率相应会更大。比如说寿命或者是我们的每一代的代时，也会对我们的突变速率有很大的影响。实际上这有很重要的启示，为什么我们人类突变速率要维持到这样的范围里？实际上是提供了这样的演化视角，有很多的疾病现象其实并不是人类特有的，过去有很多人是认为人类特有的生理现象，其实在很多物种里面都存在。比如说最近的一些研究发现鲸鱼、黑猩猩里面，都存在更年期这样的效应，也就是绝经的现象。
这当然是人类关心的问题，因为涉到女性的生理健康的重要特征，那从演化的视角来讲，绝经它意味着生殖能力的丢失或停止，在演化过程中，它虽然会有很多改变，就是说自然选择，是没办法在你失去生殖能力之后进行相关的选择，所以我们会看到过了繁殖周期之后，各种各样的疾病就会出现。那过程实际上是很重要的动因，因为自然选择它已经失去了效率，能够把这样的变异给清除掉，这样的研究领域，还是比较新的领域，相当于把人类疾病或健康现象，是以性状来研究相关的演化的规律。
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
团队/作者：深究科学
审核：叶盛 北京航天航空大学 研究员
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
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