生物樹狀進化模型遭質疑

2020-11-30 生物谷

達爾文的生物進化論一直是生物進化學的根基,100多年來人們對這一理念深信不疑。1月21日出版的英國《新科學家》雜誌卻載文稱,達爾文認為生物進化呈樹狀的理論是錯誤的。

「生命進化樹」就像大家譜

1837年7月,年僅28歲的英國生物學家達爾文,在倫敦的寓所裡靈光一閃,在筆記本上畫了一棵假想的樹,以此來闡述物種進化方式,這是達爾文首次提出「樹狀生命進化論」。22年後,這一理論公之於眾,在「生命進化樹」理論的基礎上,LUCA概念形成了。LUCA指的是「所有物種在分化之前的最後一個共同祖先」。由LUCA衍生出的一個軀幹,經過一次次分裂,生長成一棵枝葉繁茂的大樹,每個分支都相當於一個物種。「生命進化樹」就像一個大家譜,展示了各個物種之間的關聯。

在過去的150年中,生物學家們一直致力於完善「生命進化樹」,使其更加細節化。法國巴黎第六大學生物學家艾瑞克·巴普提斯塔說:「長久以來,我們的夢想就是畫出完整的『生命進化樹』。」

近年來,「生命進化樹」日趨完善,但該命題本身卻受到質疑。生物學家們目前正在討論,有人認為「生命進化樹」概念是錯誤的,是應該摒棄的。巴普提斯塔說:「我們沒有證據能證明『生命進化樹』正確。」這種質疑就像一顆炸彈,轟動了生物界,因為它動搖了我們有關生物進化的根本理念。

簡單的說,這個問題源於DNA(脫氧核糖核酸)。1953年DNA結構的發現,為生物進化學打開了新篇章。當研究了DNA序列,以及其他生物分子如RNA(核糖核酸)、蛋白質等,生物學家們認為,這樣的發現證實了達爾文的「生命進化樹」理論。他們的根據是,越接近的兩個物種,其DNA、RNA、蛋白質序列就越接近。

20世紀90年代早期,生物學家發現了DNA排序中的問題。在實現了RNA排序之後,生物學家研究了細菌以及單細胞基因的排序。原本,人們期待DNA排序可以進一步證實RNA排序,可DNA與RNA的指向有時是統一的,有時卻是相悖而行的。比如,根據RNA排序,物種A、B、C之間,物種A與物種B更接近;而根據DNA排序,物種A與物種C更接近。

進化樹

「樹狀」還是「網狀」?

越來越多的細菌和動植物的基因測試顯示,異種交配要比我們想像的複雜得多,這意味著基因並不是簡單遺傳給生命樹上的個別枝條,它們還在物種之間以不同的進化路徑轉換,其結果是一個雜亂無章的「生命網」,或者說,呈灌木狀。

水平基因轉移(HGT,指在不同生物個體間或單個細胞內部細胞器之間,遺傳物質的交流)系統讓生物學家意識到「生命進化樹」理論暗含的意思。早在1993年,就有生物學家提出細菌的基因排序不是樹狀,而是網狀。1999年,美國《科學》雜誌發表言論說:「『生命進化樹』並不是真實存在於自然界中的,而是人類用來規劃自然界的一個理論。」但是,有研究者運用更多的研究捍衛達爾文的觀點,認為所謂網狀的進化論是理想化、不切實際的想法。

「樹狀」和「網狀」的辯論在2006年正式拉開帷幕,位於德國海德堡的歐洲分子生物實驗室派出由皮爾·博克領導的工作組,研究了來自細菌、古細菌以及真核細胞的191個基因組,他們發現,其中31組基因,沒有任何跡象表明曾經被水平轉移過,和尚未完善的「樹」相近。

但是,來自德國杜塞道夫大學的達岡和馬汀教授認為,31組的結果不能夠證明什麼,這個數字太小,不能代表其他基因組。

到目前為止,這場辯論仍然持續兩極化狀態,博克和他的團隊繼續研究「生命進化樹」理論,他說:「我們相信『生命進化樹』理論,雖然有水平基因轉移的存在,但最終的形狀還是樹狀的。」達岡及其團隊也在為推翻「生命進化樹」而不懈努力。2008年,達岡和他的團隊研究了181個基因組,發現80%的基因組存在水平基因轉移。

物種雜交催生新理念

有學者相信,雜交是物種進化的有力驅動。來自倫敦大學的生物進化學家詹姆斯·馬裡特說:「(雜交)是非常普遍的現象,有1/10的動物都是雜交的。」2008年,美國德克薩斯大學的科學家在包括家鼠、野鼠和非洲爪蛙在內的8種動物的基因組合中發現了一種奇特的DNA。這是雞、大象和人類所沒有的DNA,這說明它是一些動物通過異種交配形成的基因組。幾年前,科學家也曾在牛體內發現蛇的DNA,魚類、昆蟲和植物中也都曾發現水平基因轉移現象。這些新發現意味著,用達爾文的進化枝條來連接物種過於簡單了。

正如法國生物學家巴普提斯特所說:「如果『生命進化樹』真的不存在,這對生物進化學意味著什麼呢?這是非常恐怖的,我們堅信多年的理論居然是錯誤的。」巴普提斯特表示,「生命進化樹」理論可能是錯誤的,但這不代表進化論本身是錯誤的,只不過,它並不像我們想得那麼簡單。有一些物種的進化是呈現樹狀的,有一些卻不是,這比達爾文的理論要複雜一些。「生命進化樹」理論也是具有深遠意義的,只不過目前我們對進化論有了更深的認識,所以需要進一步研究。

對「生命進化樹」的質疑在學界引起很大波瀾。加州大學進化生物學家麥可·羅斯說:「『生命進化樹』正被掘墳埋葬。雖然有些人不承認,但我們對生物的整體基礎觀點需要改變。」(生物谷Bioon.com)

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