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分子進化中性學說

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1968年日本人木村資生(M.Kimura),根據分子生物學的研究,主要是根據核酸、蛋白質中的核苷酸及氨基酸的置換速率,以及這些置換所造成的核酸及蛋白質分子的改變並不影響生物大分子的功能等事實,提出了分子進化中性學說(Neutral Theory of Molecular Evolution)。

1概述

1968年日本人木村資生(M.Kimura),根據分子生物學的研究,主要是根據核酸、蛋白質中的核苷酸及氨基酸的置換速率,以及這些置換所造成的核酸及蛋白質分子的改變並不影響生物大分子的功能等事實,提出了分子進化中性學說(Neutral Theory of Molecular Evolution)。
1969年美國人J.L.King和T.H.Jukes用大量的分子生物學資料進一步充實了這一學說。簡單說來,這一學說認為多數或絕大多數突變都是中性的,即無所謂有利或不利,因此對於這些中性突變不會發生自然選擇與適者生存的情況。生物的進化主要是中性突變在自然群體中進行隨機的「遺傳漂變」的結果,而與選擇無關。這是中性學說和達爾文進化論的不同之處。

2主要內容

1.中性突變
中性突變是指這種突變對生物體的生存既沒有好處,也沒有害處,也就是說,對生物的生殖力和生活力,即適合度沒有影響,因而自然選擇對它們不起作用。
(1)同義突變(synonymous mutation) 同義突變是一種中性突變,我們知道遺傳密碼是簡併性的,即決定一個氨基酸的密碼子大多不止一個,三聯體密碼子中第三個核苷酸的置換,往往不會改變氨基酸的組成。例如,UUU及UUC都是苯丙氨酸的密碼子,它們最後一個核苷酸C和U可以互相置換而不影響氨基酸的性質,即氨基酸不變,因此UUU和UUC可以認為是同義詞。又如CCC是脯氨酸的密碼,CCC中最後一個C如果為其他3種核苷酸的任何一種所取代,形成CCU、CCA或CCG,這3個密碼也仍然是脯氨酸的密碼。所以,雖然發生了突變,但新的密碼和原來的密碼是同義詞,這種突變即是同義突變。
(2)非功能性突變 DNA分子中有些不轉錄的序列,如內含子(intron)與重複序列等。這些序列對合成的蛋白質中的氨基酸沒有影響。因此,這些序列中如發生突變,對生物體也無影響。這也是一種中性突變。
(3)不改變功能的突變 結構基因的一些突變,雖然改變了由它編碼的蛋白質分子的氨基酸組成,但不改變蛋白質原來的功能。例如,不同生物的細胞色素C的氨基酸組成是有一些置換的,但它們的生理功能卻是相同的。血紅蛋白也是這樣,雖然有些氨基酸置換可以產生不良的後果,如人的鐮狀細胞血紅蛋白,但是也有很多突變對生物體血紅蛋白的生理功能並無影響。這樣的突變顯然也是中性突變。
根據中性學說,同義突變的頻率是很高的,加上非功能性的突變和不改變功能的突變,可以說,絕大多數突變都是中性突變。
2.遺傳漂變是分子進化的基本動力
大的種群如果發生了隔離與遷移而形成小種群時,遺傳漂變就可能發生。綜合進化論認為遺傳漂變對生物進化是有作用的,但是比起選擇來,它的作用要小得多。
中性學說則認為,中性突變不引起生物表型的改變,對於生物的生殖力和生活力沒有影響,因而自然選擇對中性突變不可能起作用,真正起作用的是隨機的遺傳漂變。遺傳漂變不只限於小種群,任何一個種群都能發生遺傳漂變,遺傳漂變是分子進化的基本動力。換言之,中性學說認為,突變大多在種群中隨機地被固定或消失,而不是通過選擇才被保留或淘汰的。
3.分子進化速率
中性學說認為,分子進化速率取決於蛋白質或核酸等大分子中的氨基酸或核苷酸在一定時間內的替換率。生物大分子進化的特點之一是,每一種大分子在不同生物中的進化速度都是一樣的。以血紅蛋白的α鏈為例,鯉、馬和人的α鏈都是由141個氨基酸所構成,其中鯉和馬有66個氨基酸不同,馬和人有18個氨基酸不同。
中性突變無疑是存在的。達爾文也提到過中性突變,並且也曾指出,無利也無害的變異不受自然選擇的作用。綜合進化論的主要代表T.Dobzhansky也認為中性突變是存在的。他們的時代是分子生物學還沒有發展的時代。木村等人則是在分子生物學的大發展的基礎上提出了中性突變的進化學說的。但是絕對的中性突變在全部突變中佔有多大比例,這是一個很複雜的問題,有些突變無疑是真正的或嚴格的中性突變,這種突變在任何情況下都不影響生物的生存。有些突變對生物有一些影響,但影響很小,因而自然選擇仍舊起不了什麼作用,起作用的仍舊是機會,基因的保留或丟失完全是隨機的。如果一個性狀的選擇壓只有0.000 001,這個性狀的選擇優勢就完全可以為機會所抵消,或者說雖然它在適應上有很少一點優勢,但是這樣小的優勢不足以保證它的保留。偶然的機會仍可使它消失。還有一種情況,即有些中性突變在條件改變后不再是中性的,而變為有利或有害的。例如,某種酶的2個同功酶,一個在33 ℃時失活,一個44 ℃時失活。它們的生化功能相同。當一個群體生活在33 ℃以下時,2個同功酶是完全相同的,因此任何一種同功酶都沒有選擇優勢。但是假如溫度到了33 ℃以上、44 ℃以下時,前一種同功酶就會失活,因而它在選擇上是不利的。所以在33 ℃以下時,2個同功酶的基因突變是中性突變,但是在33 ℃以上時,選擇就起作用了。又如人體不能合成維生素C,但是在陸地上人們可依靠蔬菜、水果而取得所需的維生素C,因而可以認為不能合成維生素C這一性狀是中性突變。但長期遠洋航行時,蔬菜、水果供應不足,人們就要患壞血症了。此時不能合成維生素C又不像是中性突變了。所以,環境條件合適時,一些有害突變可以表現為中性突變。但一旦條件改變,被認為是中性的突變就要有所表現了。
人的血紅蛋白分子β鏈上大多數氨基酸如果發生替換,都不影響血紅蛋白的功能。可見決定這些氨基酸結構基因的突變都是中性突變,都不受選擇,都可經遺傳漂變隨機地被保留下來。但是如果β鏈上的第六位氨基酸,即谷氨酸為纈氨酸所置換,血液中就將出現不能運氧的鐮刀形紅細胞。如果是純合子,所有紅細胞都將變成鐮刀形,患者不到成年就要死亡。可見這種突變是在自然選擇的壓力下被淘汰的。但是在瘧疾流行地區,帶有這一突變基因(雜合子)的人很多,頻率也很穩定,這是因為雜合子對瘧疾有較強的抵抗力,因而比不帶這一突變基因更能適應瘧疾之故。對於這一基因突變的保留顯然用自然選擇來解釋最為合理,用遺傳漂變就很難解釋了。
中性學說的倡導者木村強調遺傳漂變的作用,但他也沒有否認選擇的作用,他承認形態、行為和生態性狀,即生物的表現型是在自然選擇下進化的。所以,我們可以認為,中性學說與其說是反達爾文主義的,不如說是在現代生物科學發展的水平上,對達爾文主義的補充和發展。
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