鼠兔的故事-检验自然选择

鼠兔的故事——检验自然选择
小红猪小分队发表于 2010-07-28
詹姆斯•卡伦原文
译者：四月维校对：Ent
要挑哪一篇文章来开始我的“同行评审研究博客”之旅？想都不用想。

一篇论文，题目里面既包含了我最爱的理论（自然选择学说），又有我最爱的动物（鼠兔），还发表在我最喜欢的期刊上(PLoS ONE)，这就跟有个闪光的霓虹灯大箭头在指着它一样。

同样诱人的是，这篇论文（Yang et al，2008）提供一个机会，让我能与一个流行的错误观念进行战斗，这种观念认为所有演化上的改变都是由自然选择造成的。

在这一点上，我认为你们大部分人会困惑地挠头，“达尔文不正是因为自然选择而闻名的吗？”而一小部分人则会心照不宣地点头赞同。

这个帖子面向的读者是挠头的人而不是点头的人。

尽管如此，我还是希望点头的同伴们会读下去，享受这种纯粹的科学带来的乐趣。

那么，先回到自然选择，还有为什么它并非演化的全部过程。

就算是挠头的人也应该记得，自然选择是由查尔斯•达尔文和阿尔弗雷德•拉塞尔•华莱士提出来一种机制，用于解释生物随着时间变化的现象。

在他们看来——我们今天仍然这么认为——自然选择是一个逐渐适应的过程。

所谓的适应演化就是说，1）由于一次随机而可遗传的改变（我们现在知道，这是因为基因突变），种群中出现了一种新性状，2）这种性状赋予生物一种并非随机的繁殖优势或者劣势。

结果是这种新性状会经过自然选择被保留或者遗弃。

1859年，达尔文发表了《物种起源》。

之后的大概60年间，科学界相当同意这种说法，认为自然选择是演化的唯一方式。

与此同时，许多新的研究领域如雨后春笋般涌现，其中最重要的是遗传学的诞生。

人们开始跃跃欲试，想把他们的新见解融合到演化理论的框架之中。

然后，到了20世纪20年代，在罗纳德•费希尔、杰克•哈尔丹、西瓦尔•赖特等人的努力下，现代综合进化理论诞生了。

它不仅把演化论和遗传学联系起来，还为自然选择引入了一个新的竞争者——遗传漂变。

遗传漂变开始的时候就像自然选择一样，以随机变异的形式出现在一个种群内。

但是，在遗传漂变的情况下，这个变异没有给予携带它的生物任何优势或劣势。

尽管如此，纯粹出于偶然（数学上可以用概率论来描述这个现象），某些变异在种群中固定了下来，一直传下去；而另一些则逐渐消亡。

这样，不需要自然选择的参与也可以发生演化。

所以，总结如下：
自然选择=随机变异+非随机（适应）选择
遗传漂变=随机变异+随机（中性）选择
咻！头脑活动过后，我得来点一些轻松的娱乐：鼓点一响，鼠兔从舞台右侧上场啦。

鼠兔是……
一种居住在高山地区的精力充沛的小居民，它们收集野花，在乱石坡上建窝并栖息，常常拉开嗓门发出高频的预警尖叫；
兔形目的成员，这个目也包括穴兔和野兔；
可爱得让人萌到翻；
气候变化的预兆和受害者；
对演化机制的研究十分有用，，尤其是检测适应性演化，并探索其遗传和生理机制（继续往下阅读）。

我说过它们有多萌了吗？
是的，它们不但超级可爱（我说过了吗？），最近还在PLoS ONE里面华丽登场，正是因为它们慷慨地同意参与了一项演化生物学研究（在此必须对它们表示感谢！），这项研究针对的就是上面第五条说的内容。

现在让我们追随一下鼠兔研究者的步伐（哎呀呀）。

鼠兔不像其他兔类，只能生活在寒冷的环境中，通常是高山地带。

似乎理所应当地，我们会立刻提出以下问题：“这些兔类有哪些选择优势使它们能生活在如此寒冷而高海拔的地方呢？是某种耐冷机制吗？某种食性方面的适应？还是对高原效应的抵抗力？”
在达尔文的时代，脑子里随便想想这种问题也就罢了，但是在现代综合学说之后，我们可得更小心一点。

我们必须首先发问：鼠兔和其他兔类的区别（比如外表，行为，栖息地）是因为自然选择还是因为遗传漂变？当然了，我们大多数会支持自然选择，这样我们就能探索一些更好玩也更深入的问题，比如我们先前提到的那些。

但是到底该怎么把自然选择的稻粒从遗传漂变的稗子里挑出来呢？
幸运的是，一些非常聪明的人(Kimura M, 1983; Ohta T, 1992; Yang ZH et al, 2000)发现，他们能利用遗传密码的一种古怪的特性来区分二者。

（想来一堂轻松幽默又信息十足的遗传密码复习课吗？推荐一个博客：A Somewhat Old, But Capacious Handbag）这个方法是这样的：遗传密码表把四种核苷酸（就是DNA的A、T、C、G）翻译成20种的氨基酸（蛋白质的赖氨酸，精氨酸等）。

就像英文只有26个字母，但是通过组合成多字母的单词，可以表达成千上万的含义；四种核苷酸“字母”通过不同组合也可以编码20种独特的氨基酸“单词”。

人们发现，氨基酸字典全都是3字母的单词，称为密码子。

不过密码子的可能组合（单词的拼写方式）比氨基酸（单词的含义）的总数要多，因此很多氨基酸都由超过一个以上的密码子编码。

而对于我们面临的自然选择vs.遗传漂变问题，多个密码子对应一个氨基酸可是很有用处的；因为当一个突变（拼写错误）发生时，对应的蛋白质（句子的含义）有时会改变（这叫做“非同义突变”），而有的时候则不会改变（“同义突变”）。

换句话说，假如一个基因经历了正向的自然选择，朝向某一种特定的氨基酸（比如说产生耐冷性更好的蛋白质），非同义突变的发生率与同义突变的发生率的比值（ω）要大于1。

具体来说，如果——
当ω=1时，新突变是中性的（啊~~~欠，好无聊）；
当ω<1时，新突变是有害的，或者说，自然选择不利于它的留存（这回没那么无聊啦，因为哪怕它并不能表明这里发生了适应演化，起码它说明这个蛋白有重要的功能）；
当ω>1时，新突变是有利的，换句话说，就是自然选择利于它的留存（哦~耶~~~！适应演化！自然选择哎！）。

现在回到我们的鼠兔（我有说过他们多可爱吗？）。

在那篇PLoS ONE论文里，Yang和他的同事提出了质疑：鼠兔能在寒冷的条件下生活，是不是因为受到寒冷对调控能量代谢的基因的正选择，特别是瘦体素基因——这个基因因为对肥胖有重要作用而闻名（Shimizu H 等，2007）。

用他们的话说，“由于鼠兔生活在极端环境下，以及它们在寒冷下能量代谢方式发生了显著改变，我们猜想瘦体素作为一种冷刺激应答蛋白，对鼠兔生活在苛刻的高原环境下的生态适应性起了重要的作用。

”
为了验证这个假说，他们首先测量了鼠兔（适应寒冷环境）的瘦体素基因的多样性程度，发现鼠兔瘦体素基因的多样性要大大高于其他兔类（不耐冷的那些）。

不过，虽然这个结果和鼠兔瘦体素的适应进化并不矛盾，但也不能完全排除中性进化（遗传漂变）的可能。

下一步，怎么判断鼠兔体内瘦体素的多样性增加是因为中性突变还是自然选择呢？他们检测了鼠兔和其它兔类的ω值，发现鼠兔体内瘦体素更大的多样性事实上是因为非同义突变的增多（p小于0.05）。

正如Yang等人所说，“我们的研究证实先前的假说——瘦体素是一种冷刺激应答蛋白，寒冷可能是主要的环境因素，驱动了鼠兔科（Ochotona）内瘦体素适应功能的进化，从而为鼠兔能在极端的环境下更好地存活做出了贡献。

”
但是这个故事的最后一句话真的应该由鼠兔来讲。

听好啦：呱唧呱唧呱唧~
翻译：瘦体素什么的，最可爱啦！
这个帖子献给Kimiora Ward，点头的伙伴，鼠兔的欣赏者；他的论文答辩中，讨论选择vs.漂变的部分是我听到过的最具有说服力也最简洁的阐述。