自然選擇理論過時了嗎?

木村資生和太田朋子提出的中性演化理論認為，基因組的大多數突變（葉子）都是中性的，不受自然選擇的影響，以及很少一部分有利突變（蘋果，很快被固定）。這一理論衍生出了一個非常簡潔的方程，並能用來解釋地球上所有生物身上都有的分子鐘。

1968年，日本遺傳學家木村資生（Motoo Kimura）在《自然》雜誌上發表文章，介紹了一種全新的演化理論，即分子演化的中性理論。這一理論認為，基因組隨時間發生的遺傳變異，最終導致了物種的演化。

木村認為，在種群內和物種之間觀察到的大部分遺傳變異都源於中性遺傳變異的隨機波動。一個變異是中性的並不意味著它沒有生物學功能，而是指在自然選擇面前，變異的基因與未變異的基因沒有區別。根據木村的說法，當兩種或多種變異是中性時，它們在促進個體的生存與繁殖方面是等效的。中性變異產生的表觀突變不受自然選擇的影響，它的保留和消失都是隨機的。

中性理論與當時佔主導地位的極端選擇論者（或泛選擇論者）的觀點恰好衝突。泛選擇論源於達爾文的自然選擇理論，極力推崇自然選擇，認為其無所不在。在他們看來，每個遺傳變異，甚至基因組上單個核苷酸的變化都只能通過自然選擇來決定。與之相反，木村認為自然選擇在解釋遺傳變異上只起到了較小的作用。中性理論一經提出，選擇論者立即開始反對。時至今日，這兩個理論之間的爭論已經持續了好幾十年。

這裡需要強調的是，中性理論適用的範圍是分子變異。木村認為，自然選擇在幫助生物體的表型適應環境方面起著重要作用，但對在分子水平上檢測到的大多數變異都沒有影響。根據木村的學說，分子演化整合了達爾文的自然選擇學說和遺傳學知識，生物演化可以看做是個體DNA發生的突變隨著時間的推移在種群和物種身上產生的結果。

木村花了將近20年的時間，對在物種內部觀察到的遺傳變異進行數學建模，然後才提出了他的理論。作為先驅，他首先使用物理學的擴散方程來研究種群中基因變異的動態變化。木村認為，基因突變的行為與流體分子的擴散過程相似，會受到每一代隨機取樣的配子和一些確定性因素（如自然選擇、突變和遷移）的影響。但由於缺乏可對比的實際數據，木村詳盡的理論探索只能算是方法上的測驗，無法與現實世界聯繫起來。

在20世紀60年代中期，凝膠電泳技術的出現，使得遺傳學家得以首次估計自然群體中的遺傳變異水平。同樣地，物種之間的遺傳差異也能通過蛋白質測序進行量化。這些早期的分子數據揭示出生物基因組存在很多基因變異，使得具有數學遺傳學背景的木村提出了一個更激進的演化理論，來替代已有的自然選擇理論。

1983年，木村總結了多名科學家對中性理論的研究貢獻，［包括他自己以及他最密切的合作者太田朋子（Tomoko Ohta）等人］，出版了《分子演化的中性理論》（The Neutral Theory of Molecular Evolution）一書。現在，這本書已被認為是經典之作，它確立了中性理論作為分子演化的範式。可以說，如果沒有中性理論這個概念框架的建立，今天我們將很難理解分子演化遺傳學。通過中性理論，我們可以進一步發展並向前推動這一學科。

中性理論成功的關鍵是什麼？我們認為，至少有六個特點讓它成為分子演化的範式，即簡潔性、可理解性、魯棒性、能夠給出可檢驗的預測、將概率與演化關聯起來以及闡釋了中性變異如何促進適應性。接下來，我們將逐一解釋這些特點，並討論中性理論當前遇到的挑戰。

簡潔性

基因變異源自基因突變，即個體的遺傳物質發生了可傳遞給後代的變化。基因突變對個體的存活和繁殖的影響可以是致命的（非常有害）、中性的，也可以是非常有利的（有助於提高適應性）。中性理論將變異的種類縮小為兩大類：非常有害的和中性的（有利的突變是極少數）。第一類突變在種群中很快消失，然而，第二類突變的命運則是隨機的。它們出現的頻率隨機波動，隨著時間的推移以偶然的方式增加或減少，進而產生了生物多樣性。

從生物學上講，中性突變出現的頻率之所以是隨機波動的，是因為每一個個體的遺傳物質都是上一代雄性和雌性個體產生的大量配子的隨機抽樣。這種隨機抽樣也叫做遺傳漂變。在這個過程中，大多數變異會消失，只有少數變異最終會被固定下來。經過數百萬代固定下來的隨機變異，最終讓該物種的基因組發生了演化。

在中性理論的假設下，可以推導出一個優美的數學表達式：

Κ=μ

該公式表明，每一代的分子演化速率（Κ，也稱為固定率或替代率）等於每代的中性突變（μ）速率（或頻率）。Κ代表物種基因組的演化速率或累積差異的速度。如果所有變異都是中性的，則演化速率僅取決於每代新突變出現的頻率。

從Κ=μ這一表達式可以推斷出，物種之間累積的基因變異（正是它們導致了分化）應當隨著時間增加而增加。這一結果正好為在此之前由埃米爾·祖克坎（Emile Zuckerkandl）和萊納斯·鮑林（Linus Pauling）提出的分子鐘假說提供了理論基礎。分子鐘假說是指，可以通過比較蛋白質序列上固定下來的差異數量來估計兩個物種在演化上的分化時間。如今，分子鐘成為了藉助分子序列分析來構建演化樹和物種分化時間的最有力的工具之一。這種工具最新的應用是追蹤寨卡病毒的演化過程。

病毒的突變率非常高，比如上圖的寨卡病毒。中性理論認為，病毒累積突變的速率與時間成線性關係。通過對中性理論的應用，如分子鐘，使科學家能夠追蹤寨卡病毒在過去幾十年中的流行情況。

與其他著名的方程相比，例如愛因斯坦相對論中的質能方程（E = mc2）、玻爾茲曼的熵方程（S = k log W）或牛頓力學的第二定律（F = ma），中性演化方程也擁有簡潔的表達方式。在我們看來，它是最簡潔、最優美的科學表達式之一。

可理解性

中性理論幫助澄清了隱含在達爾文演化論中的遺傳變異概念。在中性理論出現之前，佔主導地位的泛自然選擇理論將多樣性（群體內基因變異）和遺傳分化（物種之間的差異）解釋為兩個獨立的自然選擇過程。

與此觀點相反，木村和太田在1971年發表的文章中指出，在中性變異的動態過程中，多樣性與分子演化並非兩個過程。他們認為，多樣性只是分子演化的一個中間階段。中性理論清晰地構建了分子演化過程的時空連續性：從個體變異開始，緊接著是種群多樣性，最後以物種分化結束。中性理論以直觀的方式解釋了這種動態連續性，在此之前沒人提出過。

中性理論不僅明晰了個體間變異和物種間變異的聯繫，還對達爾文的兩個主要貢獻進行了區分：生物演化是一個系譜過程，後代攜帶著遺傳變異；而自然選擇則是幫助生物適應周圍環境的一個過程。泛自然選擇論者認為任何變異都是選擇性的，錯誤地把演化和選擇混為一談，實際上這兩者並不等同。

系譜和自然選擇的分離啟發了英國數學家約翰·金曼（John Kingman）發展出溯祖理論（coalescent theory），即用系譜的方法來研究遺傳變異的動態過程。根據溯祖理論，遺傳學家可以從一個個體樣本的基因變異水平去推斷過去的演化事件。現在，作為中性理論的產物，溯祖理論已經成為分析、解釋核苷酸變異的演化模式的重要工具。

自然選擇是贊成還是反對由突變產生的遺傳變異，取決於這些變異是有利的，還是有害的。中性突變產生的遺傳變異與物種現有的基因沒有區別，它對生物個體既無好處也無壞處，因此不受自然選擇的影響。這就是自然選擇理論和中性理論解釋基因組如何演化的不同之處。

魯棒性

中性理論之所以是穩健的，是因為它可以解釋廣泛的數據。但是，木村理論的原始假設非常嚴格：如果突變是中性的或非常有害，則選擇係數s（自然選擇清除這兩種突變的相對強度）分別為0和-∞（負無窮大）。這種嚴格定義限制了原始假設被用於那些不屬於這兩類的突變。1973年，太田提出了近中性理論，放寬了原始的假設條件，即允許突變可以是略微有害的。這一擴展讓木村的理論更加穩健。

近中性理論得出了一個讓人吃驚的結論：突變固定的可能性不僅取決於它對個體生物有效性的影響，還取決於種群規模。兩個參數（種群規模N和選擇係數s）的乘積Ns代表種群選擇指數，可以用來預測遺傳漂變和自然選擇之間的關係。太田的研究表明，在一些特定規模的種群中，輕微有害的突變實際表現為中性。也就是說，如果種群規模和選擇係數的乘積落入到遺傳漂變超過自然選擇並佔據主導地位的範圍內，輕微有害的突變也可以在種群內被固定下來。

考慮到許多突變通常是中性的或稍有害的，近中性理論顯著提高了中性理論可以解釋的突變範圍。近中性理論還可以解釋那些似乎不符合嚴格的中性理論的發現，例如演化分化和以年計算的絕對時間（而非分子鐘理論預測的以代計算的時間）之間的線性關係。近中性理論帶來的穩健性極大地提高了中性理論的解釋力和預測能力，遠遠超過其他假設。

可預測性

中性理論的簡潔性使得遺傳學家可以對遺傳多樣性和分化水平進行定量預測，然後再與實際變異數據進行統計對比。

中性理論被普遍接受的預測之一就是，基因組某一區域受到的功能約束的大小（自然選擇對新突變影響的度量）決定了它的多樣性和分化程度。舉例來說，中性理論認為，編碼蛋白質的基因序列的非同義突變比不編碼蛋白質的基因序列的同義突變更難固定，因為蛋白序列的變化往往是有害的。事實上，由中性理論得出的「基因序列受到的功能約束越大，受到的保護就越強」是當前在基因組中尋找功能區最有效的策略之一。當我們比較兩個物種的基因組時，那些存在時間更長的區域往往參與了某項生物功能。

根據給定的選擇係數s（在嚴格的中性理論中，s = 0），中性理論能夠預測種群的多樣性和分化水平，因此可以被當做是一個零假設。如果有統計學數據不符合中性理論，則可以被視為非中性過程，比如自然選擇。目前，一大部分群體遺傳研究利用中性測試，來尋找自然選擇在基因組上特定區域留下的特徵痕跡，進而找出受自然選擇影響的基因序列。

隨機性

20世紀40年代和50年代出現的現代演化理論，也稱為新達爾文主義，匯集了實驗遺傳學研究、群體遺傳學理論以及對各種種群的研究。新達爾文主義認為，演化是兩種有著不同性質的力量相互作用的結果。這兩種力量就是突變（產生新的基因變異和表型變異）和自然選擇。1970年，獲得1965年諾貝爾生理學或醫學獎的雅克·莫諾德（Jacques Monod）發表了著名的《偶然性與必然性：論生物學的自然哲學》（Chance and Necessity: Essay on the Natural Philosophy of Modern Biology）一書，用標題中的「偶然性」（Chance）和「必然性」（Necessity）兩個哲學術語來代表這兩種演化力量。

突變在本質上是一種隨機現象，在現代演化理論看來，突變是對遺傳信息各種組合的一種隨機探索。隨後，突變會面臨自然選擇的篩選：選擇那些具有生物有效性的突變。突變的隨機性和自然選擇的必然性構成了新達爾文主義的精髓。

在中性理論中，隨機性發揮著更大的作用，因為它引入了除突變以外的第二個隨機因素——遺傳漂變。在有限的群體中，遺傳漂變讓中性或接近中性的遺傳變異隨機分布，推動了分子演化。因此，生存下來的並非全部都是最適應的，就像新達爾文主義中泛選擇主義者聲稱的那樣，幸運者也可能生存下來。近中性理論顯示，隨機性常常贏過自然選擇，將中性甚至略微有害的變異在群體中固定下來。這些被固定下來的中性或略微有害的變異將在生物體適應未來不斷變化的環境時發揮關鍵作用。

假設某個群體（棕色）出現的突變的選擇係數（s）在-0.5（有害）和0.01（有利）範圍內變化，並且中性突變（s = 0）是最常發生的。當群體規模（N）很小時，自然選擇的作用不足以消除遺傳漂變（隨機）的影響，因此有害突變仍可能被固定下來。當種群規模擴大時，有利變異被固定的機率增加，有害和中性變異被固定下來的機率減小。

促進適應性

中性理論最後一個顯著特徵是，中性變異可以促進生物的適應能力。在中性理論和自然選擇理論的支持者經過幾十年的爭論後，一些科學家重新思考了這兩個理論之間的關係，並提出這兩種理論是共生的。根據這一新觀點，中性變異可能是促進適應性選擇的關鍵因素，並且還是基因組複雜性起源的基礎。

從理論上來講，在無限大的種群裡，如果沒有基因漂變，自然選擇的影響就會非常大，成為唯一的演化主導因素：它會清除所有不是最優的變異。此時，基因組為了實現最大適應性，將放棄探索新的遺傳變異。相反，在一些小種群中，自然選擇的效率降低，基因組會因遺傳漂變積累中性或輕微有害的突變，這些突變為將來新的適應性提供了原材料。美國艾奧瓦大學的麥可·林奇（Michael Lynch）提出了一個非常吸引人的假說，他認為真核基因組的複雜性起源於小群體內基因漂變產生的非適應性過程，然後在自然選擇的作用下，構造出更複雜的有機體形式。

雖然在給定的環境中，中性變異具有相同的生物有效性，但它們可能被看做潛在的適應性變異來源。當環境發生變化後，它們就可能不再是中性的了，而是能增加生物的適應能力。蘇黎世大學演化生物學家安德烈亞斯·華格納（Andreas Wagner）提出了中性基因網絡的概念，它包括一組擁有潛在適應性的等位基因。與只有自然選擇相比，中性基因網絡允許基因組更全面地探索可能的基因型，從而增加了基因組的魯棒性和適應性。

當前的挑戰

從1968年提出以及整個80年代，中性理論都被確立為分子演化的範式。然而，隨著90年代大量基因序列數據以及20世紀完整基因組序列的出現，中性理論也暴露出一些局限性。

新的基因數據能夠在基因組尺度上描述核苷酸變異，並且能在越來越多的生物種群的基因組裡尋找自然選擇變異模式的證據。

這類研究表明，在一些大種群物種中，例如黑腹果蠅，受自然選擇影響的基因變異比中性理論預測得要更多。這會影響相鄰的中性區域的變異水平，尤其是當局部重組率很低或為零時。這一點與中性理論預測的變異模式不同，因為後者認為作用於核苷酸位點的自然選擇不影響大多數相鄰的中性變異。要想解釋上述觀察結果，中性理論必須包括成段的基因序列而不只是孤立的核苷酸位點。

我們認為，無論是現在還是未來，中性理論都是理解分子演化必要的參考框架。不過，它需要與其他複雜的模型結合起來，將自然選擇、重組和變異的相互作用包含進去。

撰文：安東尼奧·巴瓦迪拉（Antonio Barbadilla）、索尼婭·卡米拉斯（Sonia Camillas）、阿爾弗雷多·魯伊斯（Alfredo Ruiz）

翻譯：孔娟