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人和猩猩在几百万年前才分道扬镳,科学家是怎么知道的?

已有 1157 次阅读 2021-4-6 00:57 |系统分类:观点评述

人和猩猩在几百万年前才分道扬镳,科学家是怎么知道的?

陈俭海 jianhaichen@scu.edu.cn


科学研究是离不开逻辑和想象的。抽象理论的提出,往往是知识产生的起点。


一个逻辑理性人,对抽象概念和理论,天然难以免疫。“自由意志”、“看不见的手”、“自然选择”、“化学元素”、“重力”、“引力波”等等,那些观念中的、看不见的东西一样,似乎比肉眼可见的最真实的风景,还令人着迷。


在科学史中,这种基于逻辑的信念,并不是“不着调”、“跳大神”!


在科学世界中,眼见,不一定为实。例如,空气的本质并不是虚无或云烟。

相反,眼不见,不一定,不为实。正如,生命的本质在那些看不见的遗传信息中。


因此,经典的科学传统滋养下,无数的新概念得以诞生。


真诚而严肃的学者,愿意相信前人建立的符合逻辑的理论,也擅长小心检验这些理论。怀疑一切容易陷入犬儒,相信一切容易沦为教徒;而学者位于中间!


理论经过验证之后,会转为普遍知识而逐渐被接受,知识的边界得以拓展!


在生物学中有一个影响深远,同时极具争议的理论-“分子钟”理论,便是其一!


该理论出自鲍林及合作者Zuckerkanl。鲍林(LInus Pauling)虽然因“化学键”研究而得诺贝尔化学奖,但是同其师薛定谔一样,鲍林对生命科学尤其是生命演化有浓厚兴趣。虽然围绕鲍林的晚年有诸多争议,但是同薛定谔一样,他善于利用抽象工具来理解自然规律。鲍林是量子化学和分子生物学的早期探索者之一。


分子钟理论是分子演化领域的最早期理论之一,直接影响了“分子演化中性理论”的诞生,也是现在物种亲缘关系分析的理论基础。


1962年,Zuckerkandl和Pauling发表一篇“大胆的”论文,论文指出血球蛋白的α和β链在一系列物种中的差异数,居然与古生物化石确定的时间存在惊人的相关性。


1964年,分子钟理论被Zuckerkandl进一步完善,发表为“Evolutionary Divergence and Convergence in Proteins”的一篇会议论文【1】。分子钟理论此后也成为分子演化中性理论的基础。

Zuckerkandl是《分子演化杂志》的创始人,作为无神论者,他也是批判“社会建构论”和“智能设计论”的重要人物。


一个好的理论,其价值在于被验证,进而形成普遍观念!


分子钟理论的验证,始于3年之后!


1967年,鲍林学生(Arthur Pardee)的学生,分子钟理论的支持者Allan Wilson等人,在Science杂志发表文章 Immunological time scale for hominid evolution,评估了分子钟理论,借此解决猿类的系统发育问题他们度量了人、黑猩猩和大猩猩等灵长类的血清白蛋白的免疫杂交反应强弱,证明人和黑猩猩的分化时间只有4-5个百万年。这一惊人结果颠覆了此前对于人类进化的认知。

而此前一直以来,基于考古化石证据的研究认为,人和黑猩猩至少相差了1千万到三千万年。


Allan等认为,这些现代物种的分子差异,只能由恒定的分子演化速率来解释,也就是“分子钟”。


该研究的逻辑简单,他们度量了亚洲猿(Asiatic apes,包括红毛猩猩和长臂猿)和非洲猿(大猩猩和黑猩猩)的白蛋白与人的血清白蛋白的免疫反应,发现非洲猿类更为剧烈,说明人类和非洲猿的关系更近。但是,长臂猿白蛋白到人和黑猩猩的距离,是均等的,这种“相对速率比较”可以说明,人和黑猩猩从最近共同祖先中分道扬镳之后,两者演化速度应该是接近的,否则他们不可能和其他物种保持等距。


于是他们得出了第一个基于分子证据的物种分化时间估计(图1)。

image.png


同时,提出了免疫距离和分化时间存在相关性的数学方程:

Log(ID)=kT 【2】

其中k是常数,T是分化时间,ID是免疫学距离。

根据化石记录,旧世界猴分化时间是3千万年,可以计算出k=0.012. 根据这个值,进一步可以计算出人和黑猩猩分化于5个百万年左右。


后来的一系列化石发现,如在1974年发现的Lucy(3.2百万年前),以及西瓦古猿(距今12.2百万年),均说明黑猩猩和人是在很晚的时候才分道扬镳。也就是说,~5百万年的估算,很有可能是真实的。


分子钟相对速率检验的逻辑虽简单,但是影响极其深远。


该理论的证明,让人们再一次相信逻辑推理乃至简单逻辑推理,对于推动人类认知的重要意义。


试想一下,通过简单的理论计算,就可以获得人和黑猩猩的历史分化时间,这是多么神奇又巧妙的发现!


当人们仅仅依靠现代生物的遗传数据,就可以估计物种祖先的分化时间,而不是依赖于稀缺的化石资料,这是多么伟大的创举!


如果说人类智慧、理性和逻辑是伟大的,这不就是极好的证明吗?


对于人类演化生物学领域来说,Allan Wilson的计算,具有革命性的意义。因其对传统化石研究的颠覆性,以及对人类历史的启发性,Allan Wilson成为战后最具争议的生物学家之一,被很多演化生物学家视为异端。


值得注意的是,Allan和Vincent的1967年文章使用的方法,来自于免疫学。即免疫学中,抗体抗原反应强烈程度与物种亲缘关系存在定量关系,可以称为“免疫学距离”。通过把不同免疫学距离的物种作图,便可以看到分子钟接近线性的分布。


分子钟验证的历史也说明,医学研究的某些结论,在医生那里可以用来救人,在演化学家眼中,就可能是一整部人类史,甚至是物种演化历史;


而这种“见微知著”,反过来又可以促进医学的发展。从这个意义上来说,如果认为医学仅仅是医学,那就是“一叶障目,不见森林”。新冠爆发后,为何首先测定基因组进行演化溯源分析,就是一个鲜活的案例。


人如果不愿意真诚的面对过去,又如何心无挂碍的走向未来呢?


话说回来,基于分子钟的一系列证据,Wilson和另外一个博士生Mary-Claire King进一步扩展了此前的发现,1975年在SCIENCE杂志,他们发表了著名文章“Evolution at two levels in humans and chimpanzees”【2】。基于免疫、氨基酸差异以及蛋白质电泳等遗传学证据,他们发现人和黑猩猩的基因相似度达到99%的程度。


这又产生了一个不可思议的悖论,如果人和黑猩猩遗传上如此相近,人和黑猩猩的巨大差异是怎么来的?他们提出假说,人和黑猩猩的巨大差异,可能并非由基因导致,而是由基因调控所致。这一假说,又进一步挑战了传统的观念,物种间的差异可能并非决定于遗传基因自身的差异。同时,该研究也引发了“是基因还是调控主导”的争论【3】,也促进了基因组时代对非编码基因的大规模研究,如ENCODE计划对于基因组中暗物质的探索。


Allan Wilson还提出了人类演化的“线粒体夏娃”假说【4】,一度引起了学界和新闻界的广泛报道,在群体遗传学和物种系统发育研究领域也有重要影响。例如,他们发现,非洲人的个体间线粒体差异,相对其他族群更大,这一发现支持了现代人的非洲起源学说。同时,线粒体系统发育也支持所有现代人类族群在几十万年前的非洲具有共同线粒体祖先,即“线粒体夏娃”。


可以想见的是,这些观念在当时的化石人类学家眼里,是多么的离经叛道!他们的眼里只有化石才是终极的证据。


线粒体夏娃也刷新了对现代人起源的认知,此前传统的假说一直认为,人和黑猩猩分化之后的几百万年中,在世界各个大陆都有各种祖先人类的分布。而现在的遗传学、基因组学数据均证明了基于线粒体推断的人类演化历史的正确性,即人类起源自非洲的一小部分人类祖先群体。


此外,Allan Wilson及其伙伴们,还测定了线粒体的突变率(2%每百万年),推动了古DNA、动植物生物条形码、生物多样性和系统发育分析领域的进步。


现在提起物种进化,化石和分子证据已经成为两个独立证据来源。分子遗传证据更是大规模应用于没有化石证据的当代样品中。试想一下,如果分子钟是极度紊乱而不可靠的,亲子鉴定、DNA取证,恐怕都要打上问号。


这些都是逻辑推演的巨大威力,它拓展了感官的边界和知识的疆域!


因为在人类演化方面的独特贡献,Allan Wilson获得了1986年“麦克阿瑟天才奖”,1983年被选为美国科学院院士,1986年入选英国皇家院士。


1991年,Allan因白血病去世,年仅56岁。


值得注意的是,2012年,基于另外一个独立的统计参数-黑猩猩群体的世代时间,人类和黑猩猩分化时间被重新计算。虽然与45年前基于白蛋白的计算结果(~5百万年)有所差异,但是人类与黑猩猩各自独立演化的时间,仍然被认为是一个较短的演化时间(7-8百万年)【5】



1. Zuckerkandl, Emile, and Linus Pauling. "Evolutionary divergence and convergence in proteins." Evolving genes and proteins. Academic Press, 1965. 97-166. (引用2895次)

2. Sarich, Vincent M., and Allan C. Wilson. "Immunological time scale for hominid evolution." Science 158.3805 (1967): 1200-1203. (引用915次)

3. Carroll SB. Evolution at two levels: on genes and form. PLoS Biol. 2005;3(7):e245. doi:10.1371/journal.pbio.0030245

4. Cann, R. L.; Stoneking, M.; Wilson, A. C. (1987). "Mitochondrial DNA and human evolution". Nature. 325 (6099): 31–36. 

5. Langergraber, Kevin E., et al. "Generation times in wild chimpanzees and gorillas suggest earlier divergence times in great ape and human evolution." Proceedings of the National Academy of Sciences 109.39 (2012): 15716-15721.


作者:陈俭海 博士

邮箱:jianhaichen@scu.edu.cn



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