日本学者木村资生（Kimura Motoo）是一位著名的群体遗传学家和进化生物学家，1968年他提出了“分子进化中性理论（neutral theory of molecular evolution ）”，被视为现代综合进化论奠基人（霍尔丹、赖特和费舍尔）之后最伟大的进化遗传学家之一（Crow 1996）。

木村资生（1924—1994）

生物的变异与适应以及与之相关的选择问题一直都是进化生物学家关注的焦点，这种变异既可是较微观的基因层次上，也可以是较宏观的形态层次，前者为遗传背景的进化生物学家提供了舞台。美国遗传学家摩尔根（Thomas Hunt Morgan）通过果蝇的实验后开始承认自然选择，他于1916年提出了遗传选择理论：有害或中性突变不能扩散，而有益突变由于比原来的基因繁衍速度快，所以可以逐渐在整个群体中占据主导地位（鲍勒1999）。这也被称为经典群体遗传学假说。

摩尔根（1866-1945）

之后，出现了所谓群体结构“平衡”假说：影响每个性状的大量基因已经存在于任何自然种群中，供选择作用，即使突变所产生的遗传性状没有任何优势，它们也会以低频率的形式在种群内流动，物种因而储备了变异性，当条件改变时，这些变异就会受到选择的作用，甚至在一些稳定的环境中，“平衡选择”也可以有效地帮助维持遗传变异的范围，以便将来用于适应性进化（鲍勒1999）。

DNA序列分析技术的发展不断更新着人们对遗传变异的适应性的看法。20世纪60年代，日本群体遗传学家和进化生物学家木村资生提出了“分子进化中性理论，也称之为“中性突变随机漂变假说”（Kimura 1968）。他认为，在分子水平上的大部分突变并没有被自然选择所淘汰（即自然选择对它们呈中性），群体中的中性等位基因是通过突变的随机漂变的平衡来固定的，其保存下来是随机（而非受到选择作用）的结果。木村认为他的中性理论有两条根：一条是群体遗传学的随机理论，另一条是分子遗传学。而所谓的随机漂变，简单地说，就是指基因频率的随机变化，而达尔文的随机变异则是指表型（或性状）的变异。Wright在1921年发表的论文中指出，在一个小群体中不可避免的近亲繁殖将导致基因频率的随机波动，这个过程称之为“遗传漂变”（巴顿等2010），而这与木村所说的随机漂变在含义上略有不同。

木村说，“中性学说断言，由蛋白质和DNA序列的比较研究所揭示的分子水平上的大多数进化变异，并不是由达尔文选择，而是由选择中性的或近于中性的突变的随机漂变造成的。这个学说并不否认自然选择在决定适应进化的进程中的作用，但认为进化中的DNA变异只有很小一部分在本质上是适应的，而大多数是表型上缄默的分子代换，对生存和繁衍不发生影响而在物种中随机漂变”（Kimura 1983）。

木村提出了关于分子进化的5个原则：①每一种蛋白质在各个进化系中，只要分子的功能和三级结构基本保持不变，以氨基酸代换数计的进化速率每年每一座位近于恒定，②功能上重要性较小的分子或分子的各部分进化（以突变替代表示）快于更重要的分子（表1），③对分子的现有结构和功能破外较小的那些突变代换（保守代换）在进化中要比破坏较大的突变代换更为经常发生，④基因重复必须在具有新的功能基因出现以前发生，⑤一定有害突变的选择淘汰和选择中性或极轻微有害的突变的随机固定，在进化中，要比一定有利突变的正达尔文选择更为经常发生（Kimura 1983）。笔者认为，这样的原则已足够显示所谓的“中性选择”并非“中性”，也非完全的随机，其命运必须（也已经）受制于达尔文式的表型或功能选择。            

             表1 不同蛋白质的氨基酸替换速率

（引自Kimura 1983）

图1 α-球蛋白中的氨基酸替换随着时间稳定累计。B 图中显示 8 种系统发育关系明确（见A）的脊椎动物发生分歧后每个点位的氨基酸差异数目随时间的变化，比较是在鲨鱼和其他 7个物种的均数（右上角实心点），鲤鱼与其他 6 个物种的均数（鲤鱼右边的 6 个物种）一直到最后狗与人之间进行的（左下角实心点），这些值的计算都对多重替换进行过校正，时间估计来自化石记录（引自 Kimura 1968，巴顿等 2010）

大量的现代分子生物学研究表明，在功能上承受的不同选择压力导致了分子多态性的显著差异。有些氨基酸变化几乎没有化学性质的改变，而有些却会造成电荷数或是大小的巨大变化，而这些大的位点往往不会形成多态性；比起功能特化的基因，在所有组织中都表达的“看家”基因变异较小；同内含子和其他非编码区相比，编码区的序列变异较小；假基因的多样性水平甚至比同义突变更高。一般来说，那些改变蛋白质序列的变化更有可能改变蛋白质的功能，从而影响生物的适合度，因而具有更大的稳定性。以人的编码序列为例，改变蛋白质序列的核苷酸平均多样性不及在编码区不改变蛋白质序列位点的1/3（巴顿等2010）。

木村资生承认自然选择对表型（进而对相应的基因型）的作用，他说，“自然选择是在表型而不是直接在基因型的基础上通过个体的生存和生殖而起作用的……自然选择首先作用于表型，其次才作用于基因型（通过对表型的效应）。表型和基因型之间的关系常常并不是直接的，特别是当表现性状是由许多基因所决定的时候，如数量性状（如人的身长和小鼠的体重），环境效应对这些性状也起作用。因此考虑表型和基因型两个水平上的选择是方便的”（Kimura 1983）。

这个所谓的中性理论到底意义何在呢？笔者认为它充其量说明了很多现存的物种对DNA的随机变异呈现出了相当宽泛的耐受性，虽然这也是整个生命进化历史的一个场景。

此外，“中性”一词也过于绝对，显然木村也意识到了这一点。他说，“‘中性’这一词并不是按严格的、字面上的意义来使用的。我们的着重点并不是在中性这个词本身，而是在以突变和随机漂变作为主要解释的因素上。在分子进化和多态现象中重要的突变基因，近于有足够的中性，因而机会可以起主导作用”（Kimura 1983）。试问，这里“重要的突变基因”中的“重要”一词相对于何物？而变异的随机性早就是达尔文进化论的核心！

木村说，“这一学说并不认为选择不起作用；然而这一学说确实否认了分子变异的相当部分是由正选择产生的，或者分子多态现象是由平衡选择力所决定的……这一学说并不否定有害突变的发生。与此相反，由负选择所施加的选择约束是中性论者对分子进化的某些重要特征的解释的一个非常重要的部分”。其实，这里的“负选择”不过就是达尔文那里的“淘汰”。还有，“平衡选择”难道不是选择吗？

木村认为他的“中性”也非绝对，“我们不应该忽略某些‘中性’的等位基因在合适的条件或不同的遗传背景下成为有利的可能性；因而中性突变是有潜在的选择可能性。这一点的含义是多态分子突变即使在一个物种的大多数情况下是选择中性的，但可以是未来适应进化的原材料。把中性突变的随机固定看着是‘进化噪音’是不恰当的，也是错误的”。

如果将不能编码蛋白质的DNA序列作为垃圾，那真核生物中确实存在大量的“垃圾”。譬如，人类基因组含有约30亿个DNA碱基对，曾估计可以形成10万个以上的基因，但事实上人类只有大约2～2.5万个基因，在人类基因组中，蛋白质编码序列（称为外显子）只占1.5%（图2）。但是，在微生物中，非编码区只占整个基因组序列的10%-20%，而在人类中则高达98.5%，即生物进化程度（等级）越高，非编码序列在基因组中的比重越大。因此，所谓的“垃圾”DNA的产生并非完全随机，木村的中性学说如何解释这种差异呢？此外，至于这些非编码氨基酸是否是适应的或对生存和繁衍有无影响这样的问题其实并不是那么容易确认。很显然，复杂的生物可能需要复杂的调控，非编码DNA序列未必一定就是垃圾，未必都是演化的副产物。虽然不能编码蛋白质，但它们可能承载着其它重要的遗传信息。高等生物的DNA是奢侈浪费？还是复杂调控之必需？还是一种无奈的重负承接（修修补补的物种创造方式的副产物）？

图2 人类基因组的组成：基因组中仅有约1.5%由严格的蛋白编码序列组成，而45%由各种类型的转座因子（浅灰色区域）构成，内含子占到26%，片段重复约占5%，数据源自International Human Genome SequencingConsortium（2001）（Gregory 2005）

另一方面，如果认为庞大的基因组可能是高等生物的复杂调控之必需时，所谓的C值悖論（每一种生物的单倍体基因组的DNA总量）却使这一信念动摇：物种的基因组大小与其在进化上所处地位的高低或复杂性没有绝对的相关性（图3），譬如肺鱼的基因组远大于哺乳动物，一些昆虫的基因组都能大于哺乳动物，而单细胞的原生动物的基因组的变化范围最大，占据了所有生物最大基因组的位置。此外，同属一个类群的物种之间的C值也呈现出巨大差异：陆生植物相差约1000倍，动物超过了3300倍，原生生物居然超过30万倍！虽然如此，真核生物的基因组还是显著大于原核生物的，虽然真核生物基因组大小的变异亦很大，但是从最小C值来看，一般进化程度越高的类群，群内最小C值亦越大。如何用分子进化中性理论来解释C值悖论呢？

笔者认为，基因组的演化既随机也不完全随机，或者说既有一定的方向性也不完全定向；生物体表现出对基因组大小的巨大可塑性，由于个体是生命存在的基本单元，而个体由包含基因组的细胞所组成，只要不危及物种的生存，个体亦能容纳相当的基因组变异。无人知晓什么决定了基因组的大小，可能的因素似乎有：细胞大小、演化历史、选择压力、随机性以及生物体制的复杂性，等等。

图3 各种类群生物的单倍体基因组大小（“C-值”，pg）的范围（引自Gregory 2004）

巴顿等（2010）指出，“中性理论定义了一个简单且明确的零假说，这个假设只依赖于群体大小和突变速率而不依赖既复杂又细节未知的选择……背离了这个假设有可能是各种类型的选择造成的”，因此可将中性理论作为选择的一种度量，认为可将同义突变、一些非编码序列（如内含子、假基因等）作为中性基准。

巴顿等（2010）认为，“中性理论也证明了分子进化的简单模型，从而发展了检验和估计系统发育关系的严格方法”。其实，用所谓的分子时钟对系统发育的推断也是十分有限的，根本谈不上严格。他们还说，“中性理论的一个最易理解的预测是遗传变异增长应与群体大小成比例。群体越大，通过随机漂变丧失变异的速率就越慢”，但笔者认为这与“遗传漂变（Genetic drift）”是一种定义循环！

中性理论的极端拥护者认为所有可以观察到的突变，例如在人类和黑猩猩之间，都是中性的，仅用中性变异就可以完全解释这两个物种的进化分支问题，而适应是不重要的；而极端的适应论者则认为中性进化并不重要，甚至中性进化不能被认为是进化，因为它仅仅代表没有适应的随机变异，而进化的本质是适应（Nowak 2010）。

在笔者看来，达尔文关注表型上有意义的形态变异，而中村则喜欢与表型无关的分子变异，这不过是一个事物的二个侧面。一般来说，在一个物种的群体之中，变异是逐渐累积的，当达到足够的程度时，物种就可能分化。形象地说，木村满足于分化前的缄默，而达尔文陶醉于扬升中的沸腾！难以置信的是，木村的所谓中性理论根本不涉及物种分化的问题，而这样的学说怎么可称之为进化理论呢？

巴顿等（2010）指出，关于中性理论的“争论可以被视为关于遗传变异的平衡理论和经典理论之间的一种古老争论，即遗传变化在多大程度上是由选择来维持而不是由那些有害或中性的变异来维持。事实上，进化理论的框架并没有因为分子生物学的革命而产生明显的变化，直到现在分子生物学的兴起只是推动了进化生物学一小部分的发展”。

主要参考文献：

Crow J F. 1996. Memories of Mot? Theor. Popul.Biol. 49: 122～127

Kimura M. 1968. Evolutionary rate at the molecular level. Nature 217:624～626

Kimura M. 1983. The Neutral Theory of Molecular Evolution. London: Cambridge University  Press（中译本：木村资生. 1991. 分子中性进化理论. 石绍业译. 哈尔滨：东北林业大学出版社）

Gregory T R. 2004. Macroevolution, hierarchy theory, and the C—value enigma.Paleobiology  30: 179～202

Gregory T R. 2005. The Evolution of theGenome. New York: Elsevier Academic Press

鲍勒 P J. 1999. 进化思想史. 田洺译. 南昌：江西教育出版社

巴顿 N H，布里格斯 D EG，艾森 J A，戈尔茨坦 D B，帕特尔 N H.2010. 进化. 宿兵等译. 北京：科学出版社

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本文来源：谢平. 2016. 进化理论之审读与重塑.北京：科学出版社

(电子版下载地址：http://wetland.ihb.cas.cn/lwycbw/qt/)

作者：谢平，研究员，中国科学院水生生物研究所（xieping@ihb.ac.cn）

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