第十章 分子进化和分子系统学

氨基酸，其进化速度越慢，相反越快。
三、分子进化的中性理论
分子进化的中性理论首先由日本的 木村资生提出，后来又有很多的证据支
持了这一理论，目前普遍被人们所接受。 木村资生对蛋白质的氨基酸序列以及 DNA的碱基顺序进行了详细的研究，并 在他人研究的基础上提出了该理论。其 主要观点是分子水平上的进化大都不是 通过达尔文的自然选择，而是由选择中 性或近中性突变(选择中性或近中性突变 是指在选择上或对选择是中性或近中性 的突变)基因的随机固定实现的。
遗传漂变可以说是中性突变理论的基础， 所谓遗传漂变是指群体中的基因频率由于在繁 殖时雌雄配子的随机结合而发生变化的现象。
不管是哪个有性生殖的物种，群体的大小 是有限的，但产生的雌雄配子数相当多，而传 给后代的又是其中的极少数配子，哪个配子能 传给后代是随机的，这就会造成基因频率的变 化，而且群体越小，这种变化就越大。由于这 种作用而使某些基因被保留，某些基因被丢失， 而这种保留、丢失与有利和有害无关，几乎完 全取决于随机作用。
第二个是组蛋白H4，它在核内和 DNA结合，对遗传信息的贮存具有十分 重要的作用，是一种特殊化的蛋白质， 在漫长的进化过程中几乎不允许它发生 变化，所以它是一个非常保守的蛋白质。
第三个是血红蛋白，它的分子结构已 经非常清楚，它有几个螺旋状的区域和非 螺旋状的区域，分子的内部是疏水氨基酸， 这些氨基酸非常保守，特别是和血红素结 合的氨基酸，它们对血红蛋白的功能具有 重要的作用，它的变化将使其功能发生变 化甚至丧失，所以它们保守。而血红蛋白 表面的氨基酸对血红蛋白机能的影响相对 较小，所以容易发生变化。
(一)随机漂变对等位基因的作用
在相当大的群体里，每个世代虽然会产生 大量突变，但是其中大部分变异在以后很少的世 代中由于随机的作用而丢失，这种丢失不仅限于 有害突变和中性突变，也包括有利突变。比如突 变基因在选择上1％有利，那么在群体中被保存 扩散的可能性也仅有2％，有98％的可能在进化 的过程中不被保留而随机消失。因此，在进化的 过程中，种内发生的有利变异数和实际被保留下 来的变异数之间有相当大的差异，通过增加基因 频率而在种内被保留固定的突变是极其幸运的少 数者。
3、蛋白质中某些氨基酸或核苷酸的变 化速度较慢，越重要的氨基酸变化越慢；
4、结构和化学性质相近的氨基酸之间 的替换，比结构和化学性质不同的氨基酸之 间的替换更容易发生。
为了说明以上的结论，下面举几个典型 的例子：一个是血纤蛋白肽，它的进化速度 较快(8．3 x 10-9)，因为它从血纤蛋白原凝固 时分离出来后没有其他任何的生理机能。
二是同源位置不同；
三是同源位置上有一方是空缺或插入， 把后二者都统计为差异。
(二)分子系统学的研究进展
分子系统学研究的初期，研究的重点为蛋 白质，人们研究比较了多种蛋白 质分子，得到 各种蛋白质分子中氨基酸的差异，然后推测 DNA的变化，最后在此基础上构建分子系统树。
一个侧重于个体、群体即宏观水 平;
另一个侧重于分子即微观水平， 谁都不能替代对方，谁都不能否定对 方，二者相互补充，更好地解释了生 物进化的现象及本质。
四、分子系统学和分子系统树
分子系统学是研究生物大分子进化 历史的科学，它主要研究某一生物大分 子在生物进化的过程中突变的产生、固 定以及积累的过程。分子系统学以生物 大分子进化速率的恒定性为前提，通过 比较现在同一同源分子在不同生物间的 差异以及其他信息来推断生物大分子的 进化史，以此建立生物大分子进化系统 树。
2．分子进化的恒定性
中性突变理论认为，每个氨基酸座 位(或核苷酸)每年的替换率是一定的，而 有人提出不应该是每年，应该是每个世 代，原因是不同的生物世代长短差异很 大。
关于这一问题，木村资生做了详细 的分析。他认为体型越大，世代越长同 时群体也就越小，每个世代的进化速率 与群体有效大小的平方根成反比.
对该种生物大分子进行一级，结构的测定， 就可以得到用于建立分子系统树的最基本 的数据。
2．比较各物种之间同源大分子的差异
人工比较生物大分子之间的差异不是 非常容易的事，现在一般用计算机进行比 较。比较时可有三种情况:
一是同源位置相同(如DNA的某一同 源位置都是某种碱基，蛋白质都是某种氨 基酸)；
的两个物种的分歧年数和蛋白质氨基酸的
差异，就可以计算出该蛋白质的进化速率。 如人和鲨鱼的分歧年数为4．2X108年，血
红蛋白α链差异Kaa为0．76，Kaa=0．76 ／2 X 4．2X10-8 = 0．9X10-9。用同样的方
法对人和鲤鱼的血红蛋白α链进行比较计 算，进化速率为0．6X10-9。
通过以上分析结果，不难看出，蛋白质是
(一)分子系统树的构建方法
建立分子系统树，首先要得到所涉及 的生物中同源大分子之间的差异，对这些 差异数据进行统计学的处理，根据分歧时 间的先后绘出系统树。具体方法如下。
1．获得生物大分子的差异数据
首先确定所要构建分子系统树的生物 种类和要分析的生物大分子。确定生物种 类的原则是所有生物中均要存在该种同源 生物大分子。对生物大分子的选择也有一 定的要求，不建立亲缘关系比较远，分
歧时间比较长的生物之间的分子系统树时， 要选择进化速率相对较慢的生物大分子， 相反要选择进化较快的大分子。如线粒体 DNA的进化速率较快，适于在亲缘关系较 近的物种之间建立分子系统树，像细胞色 素c、16SRNA以及丙糖磷酸异构酶等进化 速率较慢，适合亲缘关系较远的；物种之 间建立分子系统树。生物大分子确定之后，
1973年木村资生讨论了这一情况，如 下表。
表:血红蛋白不同部位氨基酸的替换率
区域 血红蛋白α链 血红蛋白β链
表面
1．35
2．73
血红素结合部 0.65
0．236
由以上的例子可以看出，不同的蛋
白质分子其进化速度不同，即使是同一
种蛋白质分子，其不同的区域或不同的
氨基酸进化的速度也不同。进化特点是
越重要的分子、分子中越重要的部位或
(三)群体的有效大小
(四)有关中性突变进化学说的讨论
1．关于有利、有害及中性突变
木村资生本人认为这些质疑中有很多是误解。 如中性突变学说提出时，并不是说所有的突变都是 中性的，而有一定比例的有害突变，同时也承认在 进化的过程中会产生有利突变，但非常稀少。有害 突变所占的比例大小，取决于突变分子的重要性， 随着突变分子功能重要性的增强，其有害突变的可 能性越大，中性突变的可能性越少，相反，中性突 变的可能性就大。如内含子的进化速率 非常快，因 为内含子本身并不编码mRNA，与蛋白质的氨基酸 序列无关。所以 它的进化速率非常快。
广义的分子进化有两层含义，一是 指原始生命出现之前的进化，即生命起 源的化学演化；二是原始生命产生之后 生物在进化发展的过程中，生物大分子结 构变化以及这些变化和生物进化的关系等。 我们通常所说的分子进化指的是后者。
二、分子进化的特点
(一)分子进化速率的恒定性
分子进化速率是指核酸或蛋白质等 生物大分子在进化的过程中碱基或氨基 酸发生替换的频度，它是测定生物大分 子进化快慢的尺度，时间以年为单位。
1 ．氨基酸差异比例的计算
2．氨基酸差异比例的校正
3．分子进化速率的计算及其恒定性
分子进化速率通常用每年、每个氨
基酸座位的替换率来表示，公式为Kaa = Kaa/2T,T为比较的两个蛋白质之间从共同 的祖先分歧开始的年数，2T为进化间， Kaa是比较的两个蛋白质之间每个氨基酸 座位替换的平均数。如果知道了用来比较
生物大分子的进化速率是相当恒定的，
它的变化量应该和该分子所经历的时间呈 正相关，即生物大分子的改变是进化时间 的函数，其数学表达式为Kaa=Kaa／2T。由
此式可以看出，不同生物的某一同源大分 子之间的差异与所比较的生物从共同祖先 分歧后的时间呈正比。由此可以确定不同 生物在进化过程中的地位、分歧时间以及 亲缘关系，建立该分子的系统树。
如果中性突变在分子水平上经常
发生，而且随机过程比较长，假如持 续经过数千万世代，就会使群体内遗 传构成发生巨大的变化，例如1个突变 基因在群体中被保留发生的可能性是 100万分之一，每年一个基因座位产生 10个突变基因的话，这个基因座位在 群体中每100万年就会发生10个突变基 因被保留。
(二)小群体引起的遗传漂变
中性突变理论的本质是分子突变从 严格的意义上讲是选择中性的，即对生 物本身来讲既无利也无害，它的命运几 乎取决于遗传上的随机固定，所以在分 子进化的过程中，突变压和随机固定起 着重要作用。只有进一步导致形态和生 理上的差异后自然选择才能发挥作用。 关于中性理论内容和传统的进化论之间 的区别以及中性理论的证据，木村资生 进行了详细论述。
传统的观念认为，突变基因在种内扩散必须
是在选择上有利的突变，但实际上，中性突变基 因由于和有利基因连锁而使它以较高的频率在种 内保留。中性理论强调的是即使是在自然选择上 无利的突变也能被保留下来。例如，突变基因如 果和原来的等位基因在自然选择上是相同的(即有 利程度)，因随机作用，其频率随着时间的推移有 可能增加，也有可能减少，产生这种差距.一方面 与原初产生的突变数少有关，另一方面也与群体 的大小有关，群体越小越容易发生，即每世代仅 有极少数的配子能传给后代，而这种能传给后代 的配子是从众多的雌雄配子中随机抽出的，这样 中性突变基因中绝大部分由于随机的作用而消失， 只有极少数的突变被固定。
研究方法主要是通过比较不同种生 物同源蛋白质氨基酸序列的变化，来推 断该蛋白质的进化速率，为生物进化提 供一个时间表。
M．O．Dayhof对蛋白质的氨基酸 变化进行了广泛的研究，收集了大量的数 据，其中研究最详细最深入的蛋白质是脊 椎动物的血红蛋白(珠蛋白)和肌红蛋白。 血红蛋白在血液中运输氧和二氧化碳；肌 红蛋白具有在组织中贮存氧的功能。
Mross G．A．(1967)通过对偶蹄类的血纤蛋白肽A 和B的氨基酸序列、氨基酸替换的频度进行了研 究，发现氨基酸的替换在分子内部的分布是不 均衡的，变化较快的氨基酸的分布比较集中， 变化较慢的氨基酸的分布比较分散。其中变化 最快的是血纤蛋白肽A的第12到19位，肽B的第18 到21位的氨基酸，这些部位和偶蹄类的适应进 化有着密切的关系。血凝酶是由血凝蛋白原切 除血纤蛋白肽后形成的，A链的切点在N端第一 个Arg处。第4位和第5位的Gly非常保守，不发生 变化或几乎不发生变化，第2位的Pro也非常保 守，而第12、13和14位变化就非常大。