基因組測序挑戰由來已久的進化理論

日期：2016-08-26 09:17:17

在Lewis Carroll寫的《愛麗絲魔鏡之旅》（Through the Looking-Glass）這本書中，紅皇后向愛麗絲解釋說：“你必須盡力地不停奔跑，才能使你保持在原地。”用中國話說就是“逆水行舟，不進則退”。在逆水中要保持在原來的地方，也要不停地盡力地劃。或者更形象地比喻為魚兒在急流中逆水而游，它們盡力地游才能不被水沖走，但要越過淺灘或暗礁，則要跳躍。

進化生物學家Leigh Van Valen于1973年借用紅皇后頗有禪意的回答提出了紅皇后假說，恰如其分地描繪了自然界中激烈的生存競爭法則：不進即是倒退，停滯等于滅亡。種間關系的牽制作用使得物種要獲得顯著的進化改變相當困難，這是因為在生態系統中物種的進化是相互制約的，物種都在進化。從短期來看，只要跟得上就能生存下去。但從長遠看，一個物種要在生態系統中獲得有利地位就要比別的物種跑得更快。一個物種若具有較大的進化潛力，就等于在進化賽跑中有超常的速度與耐力。從長遠來看，競爭的勝利者不是看當前的適應，而是看能否獲得超出其他物種的進化能力。競爭的勝利者是那些獲得超出其他物種的進化能力的。當前的適應并不能保證未來的成功，具有大的進化潛力的物種才能獲得長遠的成功。

兔子需要奔跑來避免被狐貍獵殺，而狐貍為了避免饑餓則需要捕捉兔子。自2003年以來統計模型也提出了相反的紅王理論（Red King Theory）。如果兩種共生生物——即，一種生物從另一種生物的活動受益，它們應該以較慢的速度進化，以免打擾它們的共生伙伴關系。這很有道理，對嗎？請再想想！近期在《Nature Communications》發表的一項研究中，比較基因組學分析表明，事實上情況可能是完全相反的。點擊閱讀更多進化生物學研究：PNAS破解新物種進化的難題；Nature揭示生命進化最重要的里程碑；Science新刊：解開蛇的長期進化謎題。

來自芝加哥大學和菲爾德自然史博物館的博士生、目前是普林斯頓大學博士后的Benjamin Rubin博士指出：“我們最初想揭開螞蟻互惠行為的遺傳基礎。所以，我們對三個植物-螞蟻共生物種及其四個近緣的、非共生的物種進行了基因組測序。我們驚訝的發現，與泛化種（generalists，對食物、生境等適應范圍寬的物種）相比，共生生物整個基因組的進化速率更高。”

具體而言，處于顯著壓力下的基因，是有助于神經發生和肌肉活動的基因——確切地說，是你可能期望發現的基因。神經源性基因與行為聯系在一起，而肌肉激活基因可能有助于螞蟻通過增加活動和速度來保護它們的寄主植物。

這項研究與過去十年科學界支持的紅王理論，有著驚人的反差。然而，自2003年以來，在科學技術領域已經取得了許多進展。曾經，全基因組測序需要科學家花費幾年的時間來完成，但是現在，這個過程可以在幾天內由兩三個研究人員完成。這些進步使得科學家們重新審視這樣的理論，并提供證據支持或反駁他們的原始結論。

那么，為什么共生生物與它們的泛化種相比，有著更高的進化速率呢？盡管這個問題值得進一步研究，但是菲爾德博物館館長和Corrie Moreau教授得出一個初步的解釋：“就像所有的生物一樣，共生生物需要不斷適應環境，才能確保生存。然而，它們也有一個額外的任務，即在這種相互關系中進化。隨著時間的推移，許多物種在共生、寄生之間切換。即使共生是一種代價很高的關系，如果它不再是有利的，進化也會選擇反對它。所有這些可能的因素，都會加速這些物種之間的進化速度。”

然而，關于DNA和基因組進化仍然有許多的問題。有助于增加共生生物之間進化速率的所有因素是什么？在其他共生關系中的遺傳適應性看起來像什么？雖然我們還沒有所有的答案，但是這項研究提供了一個重要的框架，開始一個新的疑問線索。

然而，明確的一點是，這項研究已經在科學的棋盤上移動了一塊棋子，盯著紅王理論，并自信地宣稱：“將死！”