孟德尔与现代进化生物学的发展

编译 刘迪一

在《物种起源》（On the Origin of Species）一书中，达尔文提出了自己的进化论基本观点，即“后代渐变”（descent with modi fi cation）——用我们现在的话说，就是“自然选择下的生物进化”。达尔文进化论所描述的生物具备以下三个属性。

一是差异化的繁殖成功率。总体而言，每个个体都会产生不止一个的后代，换言之，新增的生物总比死去的多。而种群数量增长往往导致个体间竞争，竞争的结果则是差异化的繁殖成功率，即不同个体留下的后代数量不同（达尔文理论的生态成分）。

二是遗传。父母将性状传给后代（遗传成分），性状影响个体的生存能力和繁殖能力。

三是变异。种群内存在可遗传的、影响繁殖能力的性状（群体遗传成分）的变异。

个体为求生存而竞争资源，决定自身竞争力的性状因遗传变异而改变——由此不难想见，在一个种群内，那些显著影响健康/繁殖能力的遗传性状理应随着自然环境的变化而发生频率变化。适应A环境的某个性状很可能适应不了B环境。在《物种起源》出版以前，达尔文长期致力于深入详尽的观察和实验，收集来自野生和驯化种群的数据，包括关于个体间竞争的以及种群内表型变异的。然而，达尔文忽略了进化论基础的第二个属性：可遗传的性状（以及遗传变异）如何从上一代传给下一代。这是一个重大遗漏，因为该理论的核心正是“不同变异的代际传递概率因其对环境的适应性不同而存在差异”，但它却又无法阐释变异的传递过程，这显然是不可接受的。达尔文苦苦追寻许久，终难理解我们今天所熟知的“孟德尔古典遗传学”，最后不得不在《物种起源》里摆设一个定义模糊的主张——“龙生龙，凤生凤，老鼠生儿会打洞”。对于达尔文来说，现代遗传学是一个黑匣子。

图1 孟德尔及其作品。A.孟德尔的肖像。B.孟德尔使用的豌豆表型是由两个独立性状（颜色和形状）在双因子杂交中分离出来的。C.题为“植物杂交实验”的文章部分页面副本，孟德尔于1866年发表在《布尔诺自然科学协会会刊》（Proceedings of the Natural History Society in Brno）上

达尔文及其支持者和批评者都清楚，在那个位居核心的黑匣子被破解以前，任何理论都是不完整的。一些科学家提出了实际上与自然选择假定相矛盾的遗传模型。例如，弗莱明•詹金（Fleeming Jenkin）在19世纪60年代指出，某物种内的某个体出现的任何突变，即便有利于竞争，都会因为与正常个体的大量杂交而迅速淹没。此观点基于当时学术界对遗传的直觉性理解：后代的性状是其父母性状的简单混合，因此其表型介于父母表型之间。这样的混合遗传倾向于消除极端性状，使种群性状平均化——自然选择理论也就不成立了。举个例子，那些跑得最快的羚羊按理说最具生存优势，最该被自然选择眷顾，但它很可能与速度平平的异性繁衍，结果其后代趋于平庸，不再被自然眷顾。1868年，达尔文发表临时假说“泛生论”，尝试以此阐释遗传黑匣子的内部运作。泛生论认为生物体各部分细胞都不断释放有机小颗粒，即所谓的“微芽”，或者叫“泛子”，它们可聚集至性腺，并最终传递给子代，使其呈现亲代性状。当然，我们现在都知道泛生论大错特错。

在泛生假说出现的两年前，格雷戈尔•约翰•孟德尔（Gregor Johann Mendel）发表了如今著名的豌豆杂交实验结果（当时无人问津）。但几乎可以肯定，达尔文从未与孟德尔及其作品有过交集。达尔文常年隐居于英格兰乡村的唐恩小筑，专注多项工作。例如1871年发表的《人类的由来》（The Descent of Man）。而孟德尔从1868年起成为修道院院长，这大大限制了他的科研工作以及对自己学说的推广。这两位科学巨匠终生不曾谋面，自然选择学说和孟德尔遗传学在他们的有生之年也从未融合。

孟德尔遗传定律包括一项原则和两项定律。

显性原则——遗传因子可以是显性或隐性的，同时携带显性和隐性遗传因子的个体只表现显性性状。

分离定律——在二倍体生物中，母系和父系遗传因子（称为等位基因）随机传递给后代。

独立分配/自由组合定律——影响不同性状的遗传变异相互独立地遗传给下一代。

总体来说，这套孟德尔规律足以阐述达尔文的黑匣子。

1900年，三位植物学家各自重新发现了孟德尔定律。之后又有一批学者尝试综合达尔文的学说和孟德尔的理论。这方面的工作在众多进化生物学家努力下进一步发展。推动两方融合的关键是对于多基因遗传性状的新见解：孟德尔选择的豌豆性状由单个遗传因子控制，因此能通过简单杂交实验呈现分离和自由组合的规律，但大多数生物性状，例如人类的身高和发色，并不由单个因子控制——而由大量独立遗传因子共同决定，每个因子只占整体决定权的一小部分。达尔文与孟德尔的学说联姻成为进化生物学的基础。有些人称颂达尔文主导了一个复杂而庞大的科学谜题，孟德尔则负责填补缺失的拼图。这种描述弱化了孟德尔的贡献。一个更好的类比是锁和钥匙，二者相辅相成，对整体来说同等重要。

孟德尔生平年表

孟德尔遗传定律详解

二倍体生物，无论人类还是豌豆，都携带成对的遗传因子，也就是现在所谓的等位基因。“基因”一词是在孟德尔之后引入的，最初指代影响表型性状的遗传因子。现代遗传学中的基因通常被定义为一段编码RNA的DNA分子。DNA通过转录得到信使RNA，后者指导蛋白质合成。孟德尔研究的每一个性状都由一个基因控制。这种简单的遗传模式现在被称为“孟德尔遗传”（单基因遗传）。多基因遗传与之对立：一个性状受许多基因共同控制。

孟德尔围绕多对单基因性状，包括种子的颜色和形状等，开展杂交实验。他发现单对性状，例如圆形和皱形种子的杂交后代呈现3：1的显隐性状比例，即圆形种子数量是皱形的3倍。而当他将两对独立性状，例如圆形黄色和皱形绿色种子杂交后，杂交第一代全为黄色圆形，即双显性性状，第一代自交后得到的第二代则呈现9：3：3：1的表型比例——9个黄色圆形（双显），3个绿色圆形（单显），3个黄色皱形（单显），1个绿色皱形（双隐）。

图2 孟德尔的豌豆育种实验

显性原则孟德尔研究的所有性状都显示绝对的显性优势：同时携带显性和隐性等位基因（A/a）的杂合子个体与携带两个显性基因（A/A）的纯合子具备相同表型。个体只有从亲代处继承两个隐性等位基因（a/a），方可表达隐性性状。很多人类遗传性疾病是显性原则的典型案例。那些只携带一个隐性“疾病等位基因”的杂合子个体不表现疾病迹象，因为健康的显性基因占据绝对有优势。当然，部分性状的显性优势不绝对，其杂合子个体可能呈现显和隐的中间表型。

分离定律孟德尔证明，个体从父、母处各继承一个等位基因，并将它们随机传递给下一代。

独立分配/自由组合定律孟德尔还证明，不同性状的遗传相互独立，当具有两对或更多对相对性状的亲代杂交，在子一代产生配子时，在等位基因分离的同时，非同源染色体上的基因表现为自由组合。前文介绍的双性状豌豆杂交便是范例，展现了经典分离比9：3：3：1。这里需注意“非同源染色体”的前提。那些在同源（即同一条）染色体上彼此靠近的基因，即连锁基因，通常一起传递，故只遵循分离定律，而不符合自由组合定律。

这三个定律构成了现代生物学乃至进化生物学的基石。尽管大多数性状通常由众多基因决定，不像豌豆和某些遗传病那么简单，但基本原则是绝对成立的。下面我们简要介绍孟德尔对现代生物学的影响。

图3 代表生命之树不同分支的一些常见模式生物的示例

孟德尔和现代遗传学

我们目前对基因型-表型关系的理解，尤其是对特定基因突变如何影响性状变异的理解，主要基于对模式生物、人类以及驯化物种的研究结果。这方面工作之于进化生物学的意义，怎么强调都不为过。例如，关于基因功能和变异的基本知识对进化分析至关重要。

模式生物的作用长期以来，发育生物学在后达尔文进化论中的作用微不足道。然而，达尔文给自己的“共同起源学说”（theory of common descent）找了个有力的事实依据——胚胎发育过程中，物种的一般性状（大家都一样的）比特殊性状（个体间有差异的）更早发育。正因聚焦了少数可用于系统性遗传调查的生物，即所谓的模式生物，科学家才发现动物体内许多用于指导胚胎发育的基因都是保守基因。因此，模式生物之于现代生物学发展的作用可谓至关重要。1900年，孟德尔遗传定律被重新发现后不久，第一对模式生物——果蝇（Drosophila melanogaster）和小鼠（Mus musculus）——建立。随后又出现了其他模式生物，包括大肠杆菌、酿酒酵母、拟南芥、秀丽隐杆线虫、斑马鱼等。近年来又有更多适合特定生物学研究的模型出现，例如，苔藓类植物地钱（Marchantia polymorpha）被用于探索植物的进化，蝾螈（Ambystoma mexicanum）则是再生医学的香饽饽，因为它能重建失去的肢体。

人类和驯养物种的遗传学科学界已记录下6 000多种遵循孟德尔定律遗传并由单个基因控制的人类性状和疾病。其中大多数性状的控制基因已被确定。我们开发出众多分子遗传学工具用于生物医学。随着疾病遗传的基础被发现，诊断得到改进，新疗法也随之而来。与此同时，科学家编目了数以千计符合孟德尔定律的动物遗传性状，这在兽医学中有重要应用。我们针对驯化植物和动物进行遗传学与基因组分析，借此帮助自己理解基因型-表型关系，并利用这些驯化物种积累的丰富表型多样性。尽管在基础生物学中，拟南芥和小鼠等模式生物已经很大程度上取代了驯化动植物，但后者仍可作为重要的进化演变模型，因为它们在过去一万年的驯化和多样化过程里进化了。

然而，生物学中的大多数性状，包括人类的许多常见疾病，例如糖尿病和炎症性疾病，都呈现更复杂的多基因遗传。许多基因以及环境因素都会增加患病风险。因此，人类医学研究的一个重要领域就是确定可能导致个体疾病风险的遗传因素。此类研究基于数量遗传学理论，借助数理统计和数学分析方法计量多基因性状遗传。这给农业育种带来了变革。基因革命之前，人类不可能以现有作物品种和畜禽种群养活80亿人。最近一项进展来自全基因组选择——使用全基因组遗传标记来提高人工选择的有效性——现被广泛用于农作物和家畜。

基因组测序基因组学已经彻底改变遗传学，因为我们现在可以研究基因组中（几乎）所有基因，并针对（几乎）任何物种作基因研究。基因组序列就像一份完整的基因目录，展示所有基因的特定位置、其所在及邻近区域的多态性，以及基因组中其他结构变化（缺失、重复、倒位、转座子等）。2001年，第一个人类基因组序列发布；近期，我们得到了一个近乎完整的序列。随着技术突飞猛进，测序速度提高了，而成本下降了，科学家能对更多物种和个体进行基因组测序。鉴于比较序列信息的重要性（尤其是对于进化生物学的重要性），眼下基因组学领域有一个雄心勃勃的目标，那就是为地球上所有鱼类，所有脊椎动物，甚至所有真核生物测序。此外，种群重测序项目也为进化生物学家提供了海量信息，令其得以研究种群内遗传变异。另一方面，基因组测序可释放古DNA的全部潜力，使重建古人类和现代人的进化历史成为可能。在测序技术帮助下，科学家还能顺利地研究100万年前的DNA，直接从时间维度切入茫茫进化史。

孟德尔与现代进化生物学

实验室里的模式生物分析留下诸多关键进化学问题得不到解答，我们需要研究自然种群内的遗传变异。20世纪60年代，科学家首次使用蛋白质电泳调查了拟暗果蝇（Drosophila pseudoobscura）自然种群的遗传变异。这项工作不仅提出了问题（种群内是如何保持这么多遗传变异的），还为未来的遗传变异研究打开大门，并最终将学术焦点引向各野生种群内的基因-性状联系。

适应的遗传学现代遗传学使我们能在达尔文和孟德尔思想的交汇点上工作，以识别产生支持适应的表型变异的基因（甚至是特定突变）。近年来，与健康相关的差异类的基因数量急剧增加，这在很大程度上是由于强大且具有成本效益的基因组学工具的快速发展。如今我们可以扫描几乎任何生物的基因组，并以此为起点，揭示其适应环境的遗传基础。正因如此，科学家记录下一系列精彩案例，阐述遗传变异如何在自然种群内引起具有进化意义的表型变异。基于这些研究，人们对适应性性状的遗传结构有了更深入理解。例如，关于生物适应过程，存在一个关键问题：常设遗传变异（种群内长期存在的变异）和新生突变，哪一个在遗传适应过程中发挥作用更大？新发现的情况是，常设遗传变异通常在快速适应过程中发挥特别突出的作用，这可能是因为适应性强的单倍型积累了多个有利突变——类似于驯化途中关键等位基因的演变。相比现有的适应性单倍型，单个新生突变的影响往往较小——科学家据此指出维持自然种群遗传多样性的重要意义。未来研究的一个重要任务是从识别基因迈向阐释机制，不光要了解哪些基因突变有利于适应环境，更要理解它们的作用机制。这需要跨学科合作，结合实验室工作与实地调研。

图4 将遗传学、生态学和自然选择过程结合到进化生物学领域。遗传学领域的发展（遗传链）始于孟德尔，生态学领域的突破（生态链）源于埃尔顿；费希尔等人的开创性工作推动了遗传学与生态学在进化生物学领域的结合（进化链）

行为遗传学在《物种起源》第七章里，达尔文将注意力从形态特征转向行为——或者用他喜欢的术语——“本能”。他讨论了本能的遗传，并列举许多拥有先天适应性本能的物种，得出结论：遗传行为，例如形态，可通过自然选择进化。然而，行为相关研究存在各种困难，阻碍学者揭示行为的遗传基础。例如，行为很难作离散分类。但技术的发展克服了很多障碍。例如，高通量、具成本效益的新型基因分型方法（再加上对生物行为的测量能力进步）使研究人员能够使用正向遗传方法来定位基因组中包含导致行为变异的因果等位基因的区域。又例如，基因组方法也被用于研究基因表达的动态变化如何导致行为变异——比方说达尔文曾详述的群居昆虫不同品级间复杂的行为差异。上述两个案例中的方法是互补的：前一种寻找导致行为多样性的特定等位基因，后一种致力于了解下游转录结果。

物种形成的遗传学遗传学黄金时代使人们对物种形成的过程有了全新理解。科学家鉴定各种生物的所谓“物种形成基因”，以此明确了生殖隔离的概念——由于遗传不亲合性，类群间无法杂交受精，即合子前隔离，或杂交后代不成活或不育，即合子后隔离。随着越来越多基因组被测序，研究者得到一个重要发现：种群间的基因流动（在生殖隔离的不同阶段）比过去想象的普遍得多。一个特别有趣的例子是古人类和现代人之间的基因流动。如果有利变异从一个种群渗入另一个，这种基因流动就可能带来适应性。但基因流动也可能不利于局部适应，因为广泛的基因流动倾向于使适应不同环境条件的种群同质化。

从达尔文和孟德尔到现代进化生物学

前文提到，有学者尝试将达尔文的自然选择进化论与孟德尔遗传学结合在一起，得到了所谓的新综合理论。资源竞争是达尔文思想里的一个关键要素，也是生态学的一个关键概念。在下文中，我们总结遗传学、生态学和进化生物学领域的历史和概念发展：这三个领域既各自独立发展，又相互融合。

图5 现代进化生物学。A.生态与进化之间的相互作用；进化的判断依据通常来自表型变化，代表了种群中等位基因频率在几代人之间的变化。选择压力由物种内外部个体之间的相互作用以及生态系统决定。生态相互作用是指种群内相互作用、群落内相互作用和生态系统层面的相互作用。B.生物和非生物之间的生态相互作用定义了进化选择压力，并导致各种群的生态系统变化，这反过来又反馈给生态相互作用

众所周知，个体之间以及个体与其非生物环境之间的生态相互作用会导致选择压力。每当发生进化变迁，生态相互作用就发生变化，这可能给予选择压力以反馈作用，使其也发生变化。基于罗莎琳德•富兰克林（Rosalind Elsie Franklin）的重要见解，沃森和克里克于1953年发现DNA的双螺旋结构，将遗传学推向分子化，为达尔文的“缺失”遗传机制提供了机制细节。这些进步催生的技术继续对进化学和生态学研究产生巨大影响。发现DNA三维结构后不久，新综合理论的先驱之一罗纳德•费希尔（Ronald Fisher）表示，虽然遗传学进入分子化的热潮，但我们也不该忘却《物种起源》。乔治•威廉姆斯（George Christopher Williams）的适应和自然选择理论再次强调生态思维对于进化生物学的重要性。

遗传链人类通过肉眼就能认识到许多性状是可遗传的。最简单的例子，身高、皮肤、头发和眼睛颜色等等，都会直观展现家族内部成员的遗传相似和不同家族间的表型差异。我们的祖先正是基于“龙生龙凤生凤”的观察经验，才成功地培育出农作物和家禽家畜，从而实现从狩猎采集向农业的转变。

沃尔特•萨顿（Walter Stanborough Sutton）和西奥多•博韦里（Theodor Boveri）判断染色体是遗传信息的载体。之后奥斯瓦尔德•艾弗里（Oswald Theodore Avery）等人确定了DNA是遗传信息的关键载体。现代遗传学始于对DNA螺旋结构的描述，使人们理解了DNA复制和遗传密码，也推动了研究遗传变异的方法发展：从蛋白质电泳到基于DNA的多态性，再到DNA测序方法。基于凝胶的测序方法现已在很大程度上被用于高度并行测序的“下一代”方法取代。我们对生物多样性遗传基础的认知经历了一场革命。

测量遗传变异的分子方法首先应用于20世纪60年代，表明了自然种群内广泛存在遗传变异。分子进化中性理论对于这类变异的解释是，基因组中存在的相当一部分分子突变不影响生物体的适应能力，因此自然选择对它们不起作用。

除了探索种内变异，基因组数据还提供了比较物种间序列的机会。在基因组时代到来以前，曾有学者开展一项里程碑式研究，他们比较人类与黑猩猩的蛋白质，发现二者非常相似，于是提出假设：这两个物种的大部分表型差异源于基因调控的差异。2004—2011年间的三项研究通过比较人类与其他哺乳动物的全基因组，确定了人类的超保守序列、缺失序列以及加速进化序列。这几个例子展现了比较基因组方法在基因（编码区和非编码区）和表型之间建立联系的能力。

另一项重要创新在于开发出改变基因组的方法，从而能够实验测试特定突变对表型的影响。第一种方法侧重于随机整合基因构建体产生的转基因动植物。之后出现了更精确的方法用于灭活或使基因发生特定变化。近年来，CRISPR技术的发展可以说提供了一套超高精度的基因魔法剪刀，能给几乎任意生物体做基因编辑。这些方法对于基础研究和未来的实际应用——例如人类基因疗法和改良农作物——至关重要。

生态链新综合理论的一块关键内容是种群-生态思想，始于20世纪20年代的经验及理论研究。生态学和进化生物学有一个可追溯至达尔文学说的基本见解，即任何生物体所处环境的主要组成就是其他共存的生物体，这意味着进化变迁的速度将主要取决于它们的资源竞争（当然，一些非生物条件，如气候，也是决定因素）。生态学家和进化生物学家都强调资源竞争的重要性。因此，乔治•哈钦森（George Evelyn Hutchinson）提出的生态位概念是生态学和进化学领域内的一个关键发展——强调生态学如何通过选择压力与进化生物学相关联。

到20世纪60年代后期和70年代，数学模型的发展使生态学成为更具预测性的生物学分支，也将其与进化生物学更紧密地联系起来。罗伯特•麦克阿瑟（Robert Helmer MacArthur）和爱德华•威尔逊（Edward Osborne Wilson）的岛屿生物地理学理论称得上生态数学模型的一块丰碑。罗伯特•梅（Robert McCredie May）与其他几位理论学家进一步将数学引入生态学。这些学者的工作有助于我们从时间和空间维度理解生态动力学，包括生物内部力量（如竞争）和外部非生物力量，它们共同决定了选择压力。

进化生物学链种群进化变迁的主要决定因素是种群结构，尤其是出生-死亡相对比率。该比率由个体表型决定，而表型又由遗传组成和环境决定——简而言之，由基因型-表型关系决定。分裂的种群最终可能积累足够基因差异，发展出生殖隔离（并因此经历物种形成）。一块区域的几个不同物种种群构成一个生物群落，再加上非生物环境，就形成一个生态系统。可能导致进化变迁的选择压力通常会使生态系统内的生态相互作用发生变化，从而再次改变选择压力。因此，生态和进化过程之间存在紧密的反馈。

费希尔于1930年提出费希尔自然选择基本定理：自然选择引起基因频率变化，进而增加生物体对环境的适应性；在任何时候，任何生物的这种平均适应性增加速度都正好等于其当时适应性的加性遗传方差。由于绝对适应性必须保持接近恒定水平，因此由于选择而导致的增加必须被有害突变以及物理和生物环境的变化（包括竞争物种的适应）抵消。因此，费希尔定理是进化生物学的基础，强调进化速率是加性遗传方差和选择强度的乘积，从而突出了遗传学与生态学的耦合。

新综合理论之后，进化生物学的一个重大进步是引入了包容性适应度的概念：某个体可能通过增加其亲属的繁殖成功率来促进自己的基因变异传递给后代。另一个重要概念是扩展表型，即个体可通过操纵环境（尤其是其他生物体）来助推自己基因向后代流传，以此增强自身适应性。

我们在理解进化动力学和表征进化轨迹方面的主要进展时先后引入了进化稳定策略和适应动力学，二者都强调生态学和进化学的耦合。

结束语：当今的进化生物学

进化生物学如今是生物学的一个活跃领域，令我们能了解自己，洞察周围生物的多样性。重要的是，进化生物学的见解和方法非常适用于生产生活。进化原理是动植物育种计划的基础，让养活目前全球的80亿以及未来100亿人成为可能。进化学知识帮助我们守护岌岌可危的生物多样性，推动生物资源的可持续利用。进化学思想帮助我们预测人畜共患病最有可能出现的地方及其时空传播。审视人类自己的进化也有助于我们更好地理解人性和健康。

21世纪或将成为生物学的世纪，而这个伟大时代的基石来自19 世纪——达尔文的自然选择进化论和孟德尔遗传学。孟德尔的定律提供关于遗传的见解，达尔文的进化论需要它来完善。

资料来源 PNAS