进化论VS中性突变理论

Posted 2020-10-11

进化论VS中性突变理论

查尔斯·罗伯特·达尔文（英语：CharlesRobert Darwin，1809年2月12日－1882年4月19日），英国生物学家，其“进化论”被列为19世纪自然科学的三大发现之一（其他两个是细胞学说、能量守恒转化定律），对人类有杰出的贡献。达尔文早期因为地质学研究而著名，而后又提出科学证据，证明所有生物物种是由少数共同祖先，经过长时间的自然选择过程后演化而成。到了1930年代，达尔文的理论成为对演化机制的主要诠释，并成为现代演化思想的基础，在科学上可对生物多样性进行一致且合理的解释，是现今生物学的基石。

相对论

 

（Charles Darwin in 1868）

进化论核心是自然选择，物竞天择。

 

自然选择理论认为所有生物可能来自初始的一个鼻祖，通过环境隔离变化，衍生出万物。

all life had its origin from one simplesource,progressing to its highest form---man---

 

自然选择（英语：naturalselection）也称为“物竞天择”，指生物的遗传特征在生存竞争中，由于具有某种优势或某种劣势，因而在生存能力上产生差异，并进而导致繁殖能力的差异，使得这些特征被保存或是淘汰。这个理论最早是由达尔文在1859年出版的《物种起源》中提出，其于早年在加拉巴哥群岛观察了数种动物后发现，岛上很少有与邻近大陆相似的物种，并且还演化出许多独有物种，如巨型的加拉巴哥象龟，达尔文于开始以为，岛上的鸴鸟应与南美洲发现的为同种，经研究，十三种燕雀中只有一种是与其大陆近亲类似的，其余皆或多或少发生了演化现象，他们为了适应岛上的生存环境，改变了鸟喙的大小。

 

自然选择是有持续，非随机的进程。自然依靠这进程选择物种进化。

基因是遗传特征的基础，也是自然选择的单位，自然选择则是演化的主要机制。经过自然选择而能够称成功生存，称为“适应”；当一个物种中的不同族群因为自然选择而产生生物分类学上的差异时，则称为“物种形成”；若是族群因为不受自然选择青睐而导致族群规模缩小进而消失，则称为“灭绝”。

 

中性突变理论（英语：Neutral theory of molecular evolution）

自然选择强调自然淘汰掉存活率低的物种，强者生存。达尔文的进化论是完美的吗？

60年代以来，随着分子生物的异军突起，人们对进化的认识也开始深入到分子水平。生物分子的进化是生物进化的重要组成部分，综合进化理论的“选择”仍是指自然选择，因而它发展了达尔文的进化论。但它未能在分子水平上阐述遗传机制，故仍然是不完美的。随着分子生物学的建立与发展，这一不足为另一新说“中性突变论”所克服。这个理论认为在分子遗传学的层次上，基因的变化大多数是中性突变，也就是对生物个体既没有好处也没有坏处的突变。由于中性突变并不受自然选择影响，因此中性理论也曾被认为是与查尔斯·达尔文的自然选择论处于竞争状态。另外木村资生提出突然变异产生的蛋白质和原本的蛋白质之间没有适应性的差异时的突然变异则称为中立突然变异的理论。

 

（木村资生指出大多数非同义变化不是完美自然发生的，图中红色优秀基因在饼状图中占比非常小）

1968年，日本学者木村资生根据分子生物学的研究资料，首先提出了分子进化的中性学说，简称“中性学说”或“中性突变的随机漂变理论”。向达尔文的自然选择学说提出了挑战。此后，许多学者又根据大量的研究成果予以肯定。美国学者J.L.金和T.H.朱克斯用大量分子生物学实验和资料肯定了这一学说，并把这一学说称为非达尔文主义。20世纪50年代，科学家们先后搞清了不同生物体内具有相同功能的一些蛋白质的氨基酸序列和核酸的核苷酸序列。他们发现，生物间的亲缘关系越近，这些生物大分子间的差异越小；亲缘关系越远，差异越大。科学家们还发现，随着生物由低级到高级的演化，同一种分子中的氨基酸或核苷酸以一定的速率置换着，有就是说每一种生物大分子不论在哪种生物体内，都以一定的速度进化着。例如，各种脊椎动物血红蛋白分子α链中的氨基酸，都是以每年大约10个的速度置换着，并且置换的速度与环境的变化和生物时代的长短无关。这种分子水平上的置换是由基因突变造成的，其中多数对生物的性状既没有表现出有利也没有表现有害，属于中性突变或近中性突变。例如，决定苯丙氨酸的密码子可以是UUU，也可以是UUC，如果RNA分子中的一个碱基被置换（U→C），使UUU突变成了UUC，新密码的意义与原密码的相同。由于中性突变对生物的生存和繁殖能力没有影响，自然选择对它们也就不起作用。它们在种群中的保存、扩散和消失完全是随机的，这种现象称为随机漂变。随机漂变经过日积月累，积少成多，会使同种生物的不同种群间出现巨大的差异，就可能形成不同的物种。该理论认为：生物在分子水平上的进化是基于基因不断产生“中性突变”的结果，它也是在群体中产生的，而不像综合进化理论所主张的突变有好有坏那样，而这种“中性突变”既无好处也无坏处。它并不受自然选择的作用，而是通过群体内个体的随机交配以及突变基因随同一些基因型固定下来或消失不见（即被淘汰掉），新种的形成主要不是由微小的长期有利变异积累而成，而是由那些无适应性的、无好坏利害之分的中性突变积累而成。即生物在分子水平的大多数突变是中性的或近似中性的，它们既没有好坏利害之别，又没有适应和不适应之分，因此自然选择对它们不起作用。中性学说的出发点是中性突变，在中性突变过程中，哪一种变异能够保存下来，哪一种变异趋于消失，全靠机遇，而不是达尔文的自然选择，这个过程叫做“遗传漂变”。由于它完全不受自然选择的作用，实际上就否定了自然选择，甚至还认为生物进化与环境无关，故此理论是“非达尔文主义”的。该学说对认识物种进化的贡献在于：揭示了基因突变在分子水平上进化的特殊性，这为达尔文主义和综合进化理论所不及。但它最大的缺陷是解释不了“基因型”（也就是某种可能性）怎样变成“表型”（也就是现实性）以及物种形成的原因，因此，它在解释生物进化上仍是不足的。在目前的科学条件下，它可以看做是达尔文进化论（包括综合进化理论）的补充和发展。100多年来，进化论经受了各种考验，同时也在不断从科学发展中吸取营养，进化论的研究正从原来的个体进化水平向群体进化水平发展，进化论也在不断地进化中，另一方面它又朝着分子进化水平纵深发展。

中间数出现频率最高，最小数和最大数出现频率最低。这和进化论中的中性突变很类似。
达尔文进化论有局限性，在分子层面发生的突变，如果不考虑对生殖不利的话，基本上都是无所谓有利还是不利的“中性突变”，有利的突变其实非常少，简直可以忽略不计。
Neutral mutations are changes in DNA sequence that are neither beneficialnor detrimental to the ability of an organism to survive and reproduce. 

计算机蒙特卡洛模拟

其实，我们可以尝试用数学的中心极限定理解释中性突变理论。

 

我们可以用中心极限定理来建模，观察分布结果。我们身体是由上亿基因综合而成，假设每个基因都是相互独立的随机变量，我们粗略的把所有基因线性叠加在一起。这种做法有点粗糙和不负责，因为不同基因之间有相互关联，但有点“不负责”态度学习科学也是不错的，我们可以大胆假设，发挥无穷无尽的想象力。如果没有“不负责”态度，微积分很难诞生。

我们用Anaconda (Python3.5)实习蒙特卡洛模拟

假设一个人由1000个基因决定，首先让计算机随机产生1000个基因。

每个基因随机赋值，从1-6不等。1表示能力最弱，6表示能力最强。

然后模拟实验1000次，产生1000个随机点（即1000个人）。

图中观察，随机点呈现正态分布。大多数基因线性组合后，中间值频率最高，即中间能力的人数最多，能力较强或较弱的人频率很低。这与达尔文的进化论不一样。

（Anaconda运行截图）

结尾

在学术领域，我们很容易进入用一种理论去否定另一种理论的误区。我们容易看到事物的一部分，却很难看到整个事物的整体。就像古寺：横看成岭侧成峰,远近高低各不同。不识庐山真面目,只缘身在此山中。

达尔文的“进化论”打破了宗教对思想的束缚，对人类有杰出的贡献。每种理论都有时代局限性。随着分子生物学，计算机程序模拟的兴起，我们可以不断补充和完善进化论。进化论和中性突变理论都有科学依据，适用于不同条件。中性突变理论是对进化论很好补充。现今的演化生物学家认为，自然选择理论与中性理论是能够并立且互补的。例如木村资生本人便曾在1986年说：“此理论并不否认自然选择对于适应演化上的方向决定”。站在巨人肩上，科学永无止境，我们向达尔文和木村资生两位大神致敬。