进化发生生物学 :进化研究新视野

发布时间：98年04月24日

Elizabeth Pennisi 编译王福彭

进化生物学家与发生生物学家已合力开创新领域，藉对控制胚胎发育之基因的研究，以解生物进化之谜。

生物学家为搞清现代生物是怎么进化来的，理想的工具是：装备有自动化基因测序器的，能任意航行于时间长河里的航时器（time machine）。可航时器仍处于科幻王国阶段，进化生物学家经常探索其它回到过去的方法。一些人搜遍古代冲积物，寻找化石；另一些人则研究表明古时亲缘关系的基因相似性，追溯物种间的家族关系。如今，用胚胎来研究使单细胞卵子转变为多细胞成体的基因，来研究物种的过去的人越来越多了。

这样的基因决定每种生物的大小、形状与结构；所有这些区别物种的特征，百余年来，已是传统生物进化研究之素材。因此，它们背后的基因，应载有导致今日大量物种的各种演变之记录。如果研究人员能解读它就太好了！但是，直到最近，协助构建像眼睛和肢体这样部分躯体的遗传指令，仍属未知领域。

不过，近年来，研究人员在鉴定与标记这样的基因上，有非凡的进展。对物种的一分为二、鳍变态为肢、野生植物被驯化为农作物，研究人员通过比较不同物种的发生程序，能够研究出突变了的那些基因。“进入进化研究素材的海沟是正确的”，印第安纳大学进化发生生物学家鲁道夫 · 拉夫（Rudolff Raff）说，“发生生物学将可能有比较解剖学曾对19世纪的进化研究所产生的影响。它对进化研究的影响将是巨大的。”

认识到这个潜能，拉夫及其他先驱者们已合力创建了一年轻的学科，称作进化发生生物学。虽然经费拮据，成功的研究人员必须跨两个学科，这种情况将要改变的征兆却随处可见，胚胎学经典杂志之一，《罗氏发生生物学进展》（Roux's Archreves of Developmental Biology）最近更名为《发生，基因与进化》（Development，Genes and Evolution），越来越多的进化生物学教科书包括进发生学的章节，反之亦然。

该思路正开始取得成果、科学家们已经发现，在从果蝇到人类等动物中，许多决定未来发育的基因是相似的，提示不同种类动物之间的过去未被疑及的联系。这些基因以不同方式决定着很不相同的躯体设计图（body plan）。例如，一个基因表达方向的简单改变，就能使躯体设计图翻个过，而第二代细胞中一个基因的启动，能使腿分枝。

新成果还解答了发生是否并如何约束进化可能的范围的问题。在少数情况，研究人员把遗传学新知识装配进胚胎学航时器（embryological time machine），想像出古代祖先的新形象。

然而，进化发生生物学研究人员承认，发生研究有其局限性。“我认为我们必须使自己小心，不要失去理智”，英国剑桥大学古生物学家西蒙 · 康威 · 毛利斯（Simon Conway Morris）告诫道，因为遗传学家还刚开始凑成涉及发生的复杂的基因网。芝加哥大学的发生生物学家尼帕姆 · 帕特尔（Nipam Patel）说，研究人员也不能肯定，在现代区别一种生物与其亲缘生物起关键作用的基因，在进化的过去也曾起决定作用。毛利斯与拉夫强调，需要将不同来源——从基因到化石——的资料综合起来，加以比较。当一种生物进化到另_种生物，“古生物学告诉我们实际发生的事”，而发生遗传学则能揭示这种演变背后的详细的基因路径，拉夫说。

胚胎与进化

早在1859年《物种起源》出版时，“胚胎研究将深化对生物进化之了解”的猜测已露端倪。达尔文已经注意到，动物胚胎的一些部分，反映了其较原始物种成体之特征；例如，哺乳动物胚胎发育中一过性的鳃裂，像它们鱼样祖先的鳃裂。19世纪60年代，德国动物学家、坚定的达尔文主义者欧恩斯脱 · 赫克尔（Ernst Haeckel）把这一现象抬高到“生物发生律”，概括于其著名的警句，“个体发生重演系统发生”。他及其追随者认为，进化只是给胚胎加上新的发育期；例如，哺乳动物的发生，是在鱼类或爬虫类的发育期上加上额外的发育期。据此，观察一个物种的个体发生就像看系统发生的快镜头影片。

但是，这个“律”的局限性，很快便显露出来了。例如，鸟类是爬虫类的后裔，它们的胚胎在发育羽毛之前应先有鳞片之征，可是没有。仅仅基于胚胎与幼体之形态结构的分类，往往与基于其它特征的分类发生矛盾。虽然赫克尔的警句一直被文献复述至今，早在1898年，胚胎学家艾特孟特 · 威尔逊（Edmund B · Wilson）就承认，“个体发生经常表现的，并非祖先历史的确定的记载，而是多少有些模糊与不连续的陈迹。”

生物发生律既被怀疑，20世纪的大部分时间里，胚胎学与进化生物学间的裂缝不断加宽。许多胚胎学家曾企图认定发生之物质机制。同时，进化生物学家曾锻造了所谓新达尔文主义的综合进化理论，使自然选择与物种特征之遗传学研究统一起来；但他们很少注意那些特征在生物个体的发展，“完全忽略发生生物学”，达尔霍西大学发生生物学家白里安 · 霍尔（Brian Hall）说，对大多数进化论学者来说，胚胎只是“把基因从上一代传送至下一代的通道”。

建立基因工具盒

20世纪70年代后期，哈佛大学的科学家们，如史蒂芬 · 古尔特（Stephen J. Gould），为理解进化而聚焦于发生的潜能。但，直到80年代中期，研究发生基因的新工具开始得出实验结果，两个学科才得以重新结合起来。发生遗传学最早令人震惊与高兴的一件事是，在非常不同的物种里，发现了类似的基因，它们有时用于完全相同的目的，有时则适应于不同的目标。“如果你只孤立地检查化石，你不会想到这点，”宾夕法尼亚大学的进化生物学家尼尔 · 苏平（Neil Shubin）说。当一个已知基因出现于两种不同动物，研究人员的典型猜测是，该基因存在于该两动物的共同祖先。

例如，哺乳动物与果蝇，都有一相似的基因——在小鼠，叫做Pax6，在果蝇，叫做eyeless——是决定眼的发生的。人们曾认为，脊椎动物与无脊椎动物的眼，是独立地演化而来（Science，1997，1，31），今年5月，斯克利普斯海洋研究所的发生生物学家林达 · 霍兰特（Linda Holland）及其同事证实了脊椎动物与无脊椎动物间另一惊人的相似性。他们在果蝇体内发现了存在于蛞蝓体内的一种叫做engrailed的基因、蛞蝓是海产小动物，常被认为是脊椎动物祖先的现存的最近亲。在这两种动物，基因使胚胎分成特定的节；在蛞蝓，它使第一个八对肌肉分界；在果蝇，它形成体节之基础。生物学家曾认为，脊椎动物与无脊椎动物的身体分节是分别演化而来，但霍兰特的研究结果表明——至少对一些研究人员来说——它是一次演化而来，两类动物有共同的祖先。

对脊椎动物最初是怎样与无脊椎动物分开的，上述比较给早期的观念注入了新的生机。早在1822年，法国博物学家E · 乔弗罗伊 · 圣脱 · 希莱尔（E. Geoffrey Saint-Hilaire）曾经观察一只仰躺着的解剖了的龙虾，领悟到，这样体位的龙虾，与俯伏体位的人，其解剖结构有相似处：中枢神经系统位于消化管之上，消化管位于心脏之上。他的结论——脊椎动物躯体设计图，是翻转了的节肢动物躯体设计图——在当时，“被认为是彻头彻尾的荒谬”，康威 · 毛利斯说。

1994年，加利福尼亚大学发生生物学家艾迪 · 狄 · 罗伯迪斯（Eddy De Robertis）与约西季 · 萨舍（Yoshiki' Sasai）在蛙体内发现一种叫做Chordin的脊椎动物基因，它是协助胚胎一边的细胞发育成背面，而另一边的细胞发育成腹面的。同年，加利福尼亚大学的文森特 · 弗朗科伊斯（Vincent Francois）与艾善 · 比尔（Ethane Bier）在果蝇体内发现一种叫做Sog的类似的基因，它对建立果蝇的腹背轴有重要作用，推测对其它无脊椎动物如龙虾也是如此。但是，虽然基因的核苷酸序列相似，但其功效相反：Sog活跃的果蝇细胞发育成腹面，表达Chordin的脊椎动物细胞发育成背面。这提示：在一些古时的蠕虫样动物，是一种sog/Chordin的前驱物协助决定腹背轴，狄 · 罗伯迪斯说。该基因表达模式的倒转，使早期胚胎的腹背轴翻个过。这就形成脊椎动物与无脊椎动物不同的进化路线，可能最终证实，圣脱 · 希莱尔是对的。

诚然，相似的基因常常产生十分不同的躯体设计图。可能，最著名的例子是hox基因——协助建立主要躯体结构的调节基因。在某些情况下，它们在不同种类的动物界定相似的结构；但在另一些情况下，它们成为建立很不相同的结构的多功能的工具。例如，在果蝇胚胎，一种叫做Abd-B的hox*基因，协助界定胚胎的后端；而在鸡胚，hox基因家族的成员协助发育中的翅膀分隔为三节。

这样的基因工具，差不多每个月都有新发现。例如，威斯康星大学的进化发生生物学家西恩 · 卡洛尔（Sean Carroll）及其同事已在研究一种叫做distalless的引起细胞从躯体主轴变成芽体的基因。生物学家们曾认为，甲壳纲动物如龙虾的分叉的腿与果蝇的不分叉的腿是分别演化而来；但两年前，卡洛尔研究组证明，两者的发育都是基因所启动：在甲壳纲动物，该基因只是多补充一次原料，使现存的腿长出芽肢。

卡洛尔已与其他研究人员协作，把该研究推向深入。在今年5月号《美国科学院进展》上，他们报道：也的表达是从现存的体轴长出分枝，在所有的动物，从多毛纲动物的肉足到星鱼的管足。这样，许多不同种类动物附肢之开始长出芽肢，均以某种方式涉及distalless基因程序。但，这并不一定证明，所有各种附属物就是一次演化而来，加利福尼亚技术研究所的发生分子生物学家艾里克 · 大卫森（Eric Davidson）说，“过去没人会结论说，海胆的棘突与附肢同源。它恰好表明，存在这些造成近端远端轴的小基因程序，或者诸如此类的东西，再次地、多次地使用”。确切地说，这样的产物显示，“许多演化，反映基因从一种方式到另一方式的使用，”芝加哥大学古生物学家大卫 · 杰布隆斯基（David Jablonski）说，“是对现存基因不同方式的使用。”苏平同意说，“这不同方式使用的普遍性，令人惊异。”

一种祖先动物的新图像

研究人员运用手中掌握的诸如Pax6，Sog/Chordin，distalless以及其它基因，重新评价各种动物间的亲缘关系，甚至修正动物系统树根P的祖先动物的模糊图像。没有化石证据，生物学家已典型地描绘出脊椎动物与无脊椎动物最近的共同祖先：它生存于至少5.4亿年前，不过是一个多细胞组成的管子，可能有一个嘴和运动的纤毛，此外别无特征。可是，加利福尼亚大学的狄 · 罗伯迪斯及萨舍坚持，这个祖先——他们称之为有尾两侧对称动物（Urbilatera）——实际上是一相当复杂的动物；根据其后代的基因证据，它们有Sog/Chordin，表明有一腹背轴；它们有一pax基因，表明有光感器；它们有distalless，所以有触角之类的长出物。这个原始动物有如此高级的功能，“在10年前，那将是十足的异端邪说”，达尔霍西大学的霍尔说。

但是，并非所有的人都相信，有尾两侧对称动物是如此复杂的动物。仅只因为它们有眼睛与附肢的基因，并不意味它们实际上有眼睛和附肢，位于华盛顿的美国自然史博物馆的道格 · 欧文（Doug Erwin）告诫说。诚然，狄 · 罗伯迪斯同意：虽然有尾两侧对称动物携有这些基因的祖先，它们的作用可能和今天的不—样。

虽然如此，单就这些基因在这个有尾两侧对称动物之存在，无论其作用如何，也是令人震惊的，杰布隆斯基说。那是因为，多年来，生物学家怀疑记录于5亿年前的化石的所谓寒武纪爆发，乃系新基因问世所触发。在2000万年间的相对短期电，动物界从海绵至脊椎动物的37种主要躯体设计图出现了。但那些动物距离有尾两侧对称动物之后已很久远。所以，遗传学新证据表明，“寒武纪爆发之出现，在基因工具盒出现之后，”卡洛尔说。“在我们看到的化石证据表明的生物多样性之前，这些基因很多已处于适当位置，”杰布隆斯基表示同意。“这事需多加思索才能搞懂，”它表明，寒武纪爆发不是新基因所触发，而是由于“基因以复杂的方式起了作用，”卡洛尔猜测。

突破束缚

同一基因不仅能另作他用而产生全新的躯体设计图，而且，基因工具盒里的微小变化还能引起主要形态变化。有时，一个发生基因的加减就足够了。

以被囊类动物为例。其成体是固着的、囊样的海生无脊椎动物，其幼体似原始脊椎动物，有能游泳的尾。在研究一种幼体缺尾的动物的遗传学时，研究人员去年发现，一种叫做的基因能独立地使其幼体长尾。这发现表明，单一基因的变化，可能是导致原始脊椎动物长尾的原因（Science，1996年11月15日）。其他研究人员发现，家生食用玉蜀黍与其野生近亲、只结几个硬谷粒的墨西哥类蜀黍之间的基因区别是惊人地少（Science，1996年6月28日）。

虽然这些发现提示，生物进化的过程可能是这样的，但它们不能证明，生物进化过程的实际就是这样的，帕特尔说。例如，研究人员不可能回到过去去观察，是否最早的脊椎动物确实是源自_«基因之导入，或是它的表达之改变；或者，是否该基因当时的作用和几亿年后的今天一样？而且，从无尾到有尾的实际演化过程很可能涉及许多基因的变化。“我们今天观察的基因并不告诉我们所有的事情，”康威 · 毛利斯告诫说。

但是，新生成物硬是证明，这样的遗传变化能发生，对整体发生程序几无破坏。因为，大部分的发生是按组件进行的，印第安纳大学的拉夫解释说，一系列基因交互作用产生出譬如腹背轴，接着，另一系列基因交互作用产生出芽肢，此外，另一组基因则赋与趾和指的形状，而这些基因径路或组件又能用很多不同方式组合一起。这样，演化出双翼，“蝙蝠不必对自身彻底重建，只需重建其前肢”而保留哺乳动物其余附肢不变，同时延长其指而成双翼。艾尔温补充说，“不论新物种获得的是什么，真正新增加的东西远不及小改变普遍。”

大多数生物学家认为，现存的发生程序，硬是对生物可能的形态结构设置某些束缚。例如，拉夫把胚胎发生比喻为沙漏，在其早期与晚期均可能有很大变异，但在中期，所有胚胎必须通过称作“门类模式期*’（phylotypic stage）的狭窄的发生并颈，因为它是决定动物门类特征的时期。例如，所有脊椎动物胚胎在某一特定时期——在人类，大约是胚胎4周时——有同样的躯体模式，包括一条脊索和一组成对的尾肌。但是在这之前，各种动物的胚胎形态各异，而在这之后，它们的发育，记录下它们成长为有鳍、有翅或有足成体的各种途径。

胚胎门类模式期的无变异性提示，改变它就同时摧毁了发育，导致死胎，拉夫说。他认为，那是因为，在这个时期胚胎发育最少按组件进行，最多互相依赖，依靠胚胎不同区域间的互相联系，依靠渗透其间的大量生长信号。当细胞团彼此移动通过时，“细胞间有大量的信息交流，”拉夫说，这些交互作用导致特定器官的发生。如果细胞缺失某一决定性信号，整个器官将不能形成，导致胚胎的死亡。

但是，一旦门类模式结构形成，就允许“加物于其端，”宾夕法尼亚大学进化发生生物学家威廉 · 杰弗利（William Jeffery）说。这样，加上指的基因程序，就使得附肢较其源自的鳍有更加多的功能。遗传束缚“不是对什么都可能，”卡洛尔说，“但对一个整体是可能的。”

事实上，组件系统——在其中，不同的基因（例如在不同的地方）能起不同的作用——几乎好像被设计得既允许演化又保证多数胚胎存活。一个基因组件的变化能够不破坏其它组件，从而也不导致胚胎死亡。例如，鳞片能被羽毛取代而不影响心脏的发生或翅膀的形成。简言之，按组件进行使发生既有可变性又有再现性。发现hox基因的先驱者、耶鲁大学发生生物学家弗朗克 · 鲁特尔（Frank Ruddle）说，“组件系统的设计特点是允许这两种性质同时存在。你甚至可以说，像这样一种系统，是已有选择。”

生物学家距完全搞清发生是如何给进化以机会与限制仍然很远，霍兰特说。但是，“当我们获得更多证据，我们将对关键的演化事件与关键的新演化物有惊人的了解，”宾夕法尼亚大学的苏平预测，假如真有人解决了航时器的方法，至少进化遗传学家会认为它不再有用。

[Science，1997年7月4日]

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