生物基因组进化

寒武纪物种大爆发是病毒的产物

is the result of virus creation

1984年6月中旬，中国科学院南京古生物所硕士毕业生侯先光，来到云南澄江县的帽天山，寻找曾经生存于寒武纪的高肌虫化石。7月1日下午3点左右，发现一块形状奇特又保存完整的化石，使他欣喜若狂，他用自己所学的知识判断，这是一块寒武纪早期的无脊椎动物化石。他再接再厉，当天就发现了三块重要化石，这三块经进一步鉴定，分别是纳罗虫、腮虾虫和尖峰虫化石。至此他打开了一扇古生物宝藏的大门，在以后的数天里，侯先光陆续发现了节肢动物、水母、蠕虫等许许多多同时期的古生物化石。返回南京后，他与导师张文堂教授，撰写了《纳罗虫在亚洲大陆的发现》，后来将在澄江发现的化石经技术处理复原后，展现在人们面前的是各种生物姿态奇特、色彩斑斓让人称奇的5.3亿年前的海洋全景图，澄江的动物化石因此闻名于世界，被定名为“澄江动物群”。在此之前的1909年，在加拿大发现的寒武纪中期的布尔吉斯动物化石群曾经轰动过世界，这个化石群距今有5.1亿年，比澄江动物群晚1500万年以上，澄江动物群是目前世界所发现的最古老、保存最完好的多门类动物群。1947年在澳大利亚发现了距今5.8亿年前寒武纪末期的埃迪卡拉动物化石群。奇异的是这个化石群与前上两化石群比较，物种间发生的突然性变化难以证明物种的连续性进化。这个化石动物群中没有发现任何寒武纪的属种，就如各类的动物是在寒武纪时期迅速起源，不是经过长时间的演化慢慢变来的，澄江动物群记录了这段特殊时期生物群的全貌。几乎现生动物的所有门类，都能在澄江化石群里找到它们的远祖代表，是寒武纪物种大爆发的最重要的记实。

寒武纪的物种大爆发是古生物学研究中的重大事件，因为其对达尔文的进化理论提出了严重的挑战，使其至今不能完善其说。古生物学研究表明，地球的“年龄”大约有46亿年，从地球生命出现到今天已经38亿年，但在距今5.4亿年前的寒武纪之前，生命只是以藻类和菌类的简单形式或个别简单的多细胞物种存在于海洋里。寒武纪之后，大量后生动物突然在海洋里出现，从单细胞藻类、菌类到多细胞后生动物演化特别快，短短千万年的时间里突然出现了大量不同门类的动物，这个星球上现存的物种几乎都是它们的后代。因此有学者用“神迹”来描述这个寒武纪的物种大爆发，这么多门类、多形态的生命在同一时期产生，并且已具备生命物种最初的复杂性，使人有理由认为是上帝选择了寒武纪作为创造生命的时期，对达尔文提出的渐进连续的生物进化论提出诘难。

按照达尔文的自然进化思想，物种的变化是各种微小变化的累积，进化应该是连续不断的。但这种设想显然与寒武纪的物种变化的实际情况不符，当科学家发现在寒武纪突然出现的三叶虫时，便认为可能会动摇进化论的基础。在当时的社会环境，如果谁提出快速进化，就有神创论的嫌疑。然而随着时间的推移和研究的深入，这些矛盾变得越发尖锐而不可调和。因此人们对达尔文的渐变论做了修正，“达尔文在他的时代由于研究条件的限制，对生物演化的历史了解并不是很全面，他认为进化应该是慢速进化。进入20世纪以来，大量的科学证据表明，进化应该是个快速的过程，澄江动物群就很典型。”但为什么在寒武纪的几百万年的时间中物种发生快速发展，而寒武纪之前的几十亿年中生命长期停留在藻类、菌类或简单多细胞的形式，其间找不到任何过渡物种的化石；寒武纪之后的几亿年中各种物种各自向高等类别缓慢进化，再也没有出现一次物种的快速发展，以至出现一个全新类型的物种呢？寒武纪前地球必定出现了什么。

为了达尔文学说与现实之间的矛盾，学术界争议了上百年，物种进化是连续性还是跳跃式发展？全力支持达尔文的赫胥黎曾私下多次劝告达尔文接受跳跃式的进化观点，并警告说，“你这样毫无保留地接受自然界绝无跃进的观点，使你陷入不必要的困难之中。”而达尔文深知，他的学说最具吸引力、最独到的地方乃是摒弃一切超然主义，用纯自然的观点解释生物的起源，他只有用渐进、微小的变化来解释复杂的大变化，才能持守他这种彻

底的唯物主义立场。他明确地说：“如果有人能证明，任何现有的复杂器官，不是从无数连续的、微小的突变而来，我的学说就得完全瓦解了。”他给他的朋友、著名地质学家赖尔（Charles Lyell）的信中对跳跃式进化的观点持严厉批评的态度，“如果我的自然选择理论必须借重这种突然进化的过程才能说得通，我将弃之为粪土。……如果在任何一个步骤中，需要加上神奇的进步，那自然选择理论就不值分文了。”

但如果进化真是跳跃式发展，一方面自然选择的渐变理论将被推倒，另一方面却无人能对跳跃式发展的原因找出令人满意的答案。詹腓力在《审判达尔文》一书中指出，“细察之下，大突变进化的最大问题，在于它本身只不过是进化论与特别创造论之间毫无意义的中间路线。你可将圣经中记载的人在尘土中被造也看成是大突变。连续、渐进的自然选择理论既站立不住，跳跃的大突变主义又缺乏立论依据。进化论陷入空前的危机中。”詹腓力甚至提出对生命的起源重新构架，这种对达尔文学说的否定是人们难以接受的，科学家们期待与探索新的证据与理论，以在自然科学中彻底排除神的阴影。

对此曾出现种种假设与解释，都不能令人全盘信服；生态学对这一问题提出的一种解释是：在寒武纪之初，即多细胞动物刚刚出现之时，可以为动物占据的生态位都是空的，任何一种生命类型都可能找到一个适合的生存空间，因此发生了一次蔚为壮观的辐射进化，此后，由于所有的生态位都被占领，即使发生了大规模的物种绝灭，绝灭物种留下的空位也会迅速地被留存下来的物种占领，因而不存在产生动物全新类型的机遇。但这又无法解释寒武纪前生命在原始状态悬浮几十亿年缓慢发展！

二十世纪后半叶，随现代科学的迅猛发展，分子生物学与分子病毒学日渐成熟，学者们对生命本质了解也越来越清晰，特别是基因学说与基因工程技术的日渐成熟，这个难题可以得到合理的解释。

生物遗传的核心是基因，物种的本质是基因的种类或差异，生命的进化从根本上理解是基因组的进化；生物基因组的发展记录了生命每一步进化的痕迹，生物越复杂，它所需要的最小基因组也就越大，从支原体到高等植物和高等动物，基因从数量上和种类上随着物种的进化发生了巨大的变化。基因组研究发现，一个能独立生存的细胞所需要的最小基因组大小为1.5Mb和1500条基因，少于这个数目的物种只能沦落为寄生物种，需要宿主细胞提供代谢物质完成生命周期，支原体基因在1000左右，因此是细胞的寄生物种，真核细胞（如酵母）基因组大小为8Mb和6000条基因，古菌的基因组大小为1.5-3Mb和1500-2700条基因之间，因此可以推测其生物学特征介于原核和真核生物之间；脊椎动物的基因在10,000-20,000条之间，人类基因组大小为3300Mb和40,000条基因，水稻基因组有40,000基因。随基因组大小与数量的发展，物种的表现也低等到高等有了根本上的改变，直至人类这样高智能的物种出现。到今天人类能反过来认识与研究自身，能用基因这个工具来改造物种。

基因研究发现基因复制是基因组进化的主要动力之一，这种复制不是指细胞繁殖过程中的复制形式，而是一个基因组中因复制产生两个相同的基因，复制的基因是另一个独立的基因，复制的概率为每100万年1%，因此随着时间的推移，一个物种的基因组因为复制会自然增长，重复的基因可以因突变而发生差异，这种差异是以每100万年约1%的速率累积，可以逐步演变产生不同的基因，如果新基因的产物是有害的，就被自然选择所去除，如果是有益的，就会扩展到整个群体而固定下来，从发生学的意义上这些基因是同源的，属于某一基因家属，但可能有各自独立的功能，由于不同功能基因的增加，物种的结构、表象和功能比原先的物种复杂了。这种基因组的进化从时间上说是漫长的，同源基因序列的差异与时间成正比，因此可以作为进化钟，计算同源基因任何两个成员间产生趋异的时间，如果两个同源基因有20%的核苷酸差异，那么它们的发展可能经历了约2100万年。以人珠蛋白为例，