造就適者

前言

自達(dá)爾文（Charles Darwin）于1859年出版《物種起源》以來，“進(jìn)化”（evolution，或譯為演化）已逐漸成為生物學(xué)界使用頻率最高的詞匯之一，并滲透到自然科學(xué)與社會科學(xué)的眾多領(lǐng)域。150年來，進(jìn)化理論不斷發(fā)展井廣為傳播，終成主流科學(xué)思想。連教皇約翰·保羅二世在1996年寫給教皇科學(xué)院的信中也表示：“新的發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)我們承認(rèn)進(jìn)化論不只是一種假說。事實上，在不同科學(xué)領(lǐng)域一系列的發(fā)現(xiàn)之后，這個理論不可思議地對研究人員的心靈產(chǎn)生愈來愈大的影響?！辈贿^，人們也注意到，分子生物學(xué)興起的60年來，一些不能用達(dá)爾文進(jìn)化論直接解釋的科學(xué)現(xiàn)象開始涌現(xiàn)，進(jìn)化理論似乎面臨著新的挑戰(zhàn)。    一個月前，我應(yīng)邀為上海的一個公眾科普活動——“科學(xué)咖啡館”做了一場題為“生物進(jìn)化與我們的未來”的報告。我在報告中除簡要介紹進(jìn)化生物學(xué)（尤其是分子進(jìn)化）的基本概念和研究進(jìn)展外，還列舉了四個開放問題（open questions）：壓力還是動力？缺失還是獲得？數(shù)量還是質(zhì)量？個體還是群體？目的是幫助聽眾了解自然選擇的力量、性狀進(jìn)化的方向、延長壽命的意義以及長期進(jìn)化的策略等當(dāng)代進(jìn)化生物學(xué)研究的熱門領(lǐng)域。所謂開放問題一般都是沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的多向思維問題，這在國外學(xué)術(shù)討論和科學(xué)普及活動中十分常見，但在我國還是一種較為罕見的形、式。鑒此，我采用了若干實際案例而不是直接用學(xué)術(shù)界目前流行的理論來解釋上述問題，這給習(xí)慣于只接受一種“正確”的理論，以及長期受熏陶于重科學(xué)結(jié)論而輕研究過程的教育模式的聽眾們帶來了些許新鮮感。    現(xiàn)在，對當(dāng)代進(jìn)化生物學(xué)中開放問題感興趣的讀者可以從《造就適者——DNA和進(jìn)化的有力證據(jù)》一書中獲取更多案例和進(jìn)化證據(jù)了。比如，書中提到，布韋島的冰魚是一種完全喪失血紅蛋白、沒有紅細(xì)胞的南極“無血”魚，由于缺乏化石證據(jù)，因而很難從形態(tài)學(xué)或生理學(xué)上提供其起源與進(jìn)化的明證，不過人們還是可以獲得其現(xiàn)存種群的遺傳物質(zhì)——DNA。I）NA分析結(jié)果清晰地表明，冰魚在其進(jìn)化過程中“舍棄”了兩個合成血紅蛋白中珠蛋白的基因，而在5億年前這兩個基因卻是其生活于溫暖水域的祖先不可或缺的。進(jìn)一步比較冰魚不同近親及其他南極魚類的DNA序列與結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們終于揭示了冰魚由生活于溫水、依賴血紅蛋白轉(zhuǎn)變成生活于冰水、無需血紅蛋白（一些物種甚至不需要肌紅蛋白）的進(jìn)化歷程，并且估計出基因喪失的時間范圍，為生物進(jìn)化的基本原則——自然選擇和遺傳變異增添了新的證據(jù)。    與南極冰魚中基因缺失（gene loss）的故事相反，烏干達(dá)基巴萊森林中的疣猴通過基因獲得（gene gain）來辨認(rèn)出營養(yǎng)較豐富的樹葉，而科學(xué)家們解開其全彩視覺和反芻消化系統(tǒng)“進(jìn)化創(chuàng)新”之謎的關(guān)鍵還是DNA證據(jù)。所有猿類和舊大陸（非洲和亞洲）猴類的視覺都具有三元辨色力（可以看到藍(lán)、綠、紅三原色所構(gòu)成的顏色光譜），而大部分哺乳類只有二元辨色力（可分辨藍(lán)色和黃色，但無法分辨紅色和綠色）。由于熱帶地區(qū)一大半植物的嫩葉呈紅色，因而只有這些具有三元辨色力的靈長類可以獨享既柔軟可口又富有營養(yǎng)的嫩葉。對哺乳類的視蛋白基因分析發(fā)現(xiàn)，人類和黑猩猩及其他猿類都有3種視蛋白基因，而其他哺乳類只有2種視蛋白基因。顯然，人和上述靈長類動物的視蛋白基因數(shù)量隨其進(jìn)化歷程而增加，基因重復(fù)（gene duplication）和功能分歧（functional divergence）則是其基本進(jìn)化機(jī)制。通俗地說，上述視蛋白基因先通過制作“拷貝”來倍增DNA信息，再靠這些不同復(fù)制品接受自然選擇的考驗，各奔前程，最終進(jìn)化出具有不同功能的“新”、“舊”基因。當(dāng)然，更令人驚嘆的是，這些不同功能的“同源”基因在同一個生物體中必須各司其職、和平共處才行。同樣，作為反芻動物的烏干達(dá)疣猴也是采用基因重復(fù)和功能分歧的套路，在繼續(xù)保持與非反芻猴類幾乎完全相同的溶菌酶基因的同時，發(fā)展出另外兩個具有新功能的基因，以滿足疣猴對大量嫩葉的消化需求。    幾乎每一本進(jìn)化生物學(xué)教科書中都會列舉一些研究案例和科學(xué)發(fā)現(xiàn)，但對發(fā)表于各類學(xué)術(shù)刊物的大量原始“素材”進(jìn)行合理剪裁卻并非易事。本書作者肖恩·卡羅爾教授顯然是一個講故事的高手，他將一個個涉及不同物種在不同地域和不同生境中的進(jìn)化故事娓娓道來，向我們展示了令人驚異的、鮮活的進(jìn)化線索及其分予證據(jù)。是的，他精心制作的這一道道賞心悅目的“大餐”（作者語）都是與開放問題答案有關(guān)的線索和證據(jù)，而非答案本身；但正是這些構(gòu)成證據(jù)的故事，顯示出比普通教科書大得多的威力。我想，即使是對進(jìn)化理論持懷疑甚至否定態(tài)度的人也無法回避自然的證據(jù)吧。    可以說，今天的進(jìn)化生物學(xué)家是如此幸運(yùn)，因為我們進(jìn)入了基因組時代——獲取一個生物物種的全部DNA序列（稱為全基因組測序）已越來越便利而經(jīng)濟(jì)，皇現(xiàn)在我們面前的海量信息中不乏新的生物進(jìn)化證據(jù)。誠如書中所言，“基因組學(xué)能讓我們看到進(jìn)化過程的深層內(nèi)涵。達(dá)爾文之后的一個多世紀(jì)內(nèi)，人們只能在雀鳥或飛蛾的繁殖和生存中觀察自然選擇的作用。而現(xiàn)在，我們可以看到‘適者’是如何產(chǎn)生的，因為DNA中包含的各種信息是達(dá)爾文無法想象或期望的，完全是新的、不同的。不過，這些信息讓他的進(jìn)化理論更加堅不可摧。我們現(xiàn)在可以識別DNA中特定的變化，了解這些變化如何讓物種適應(yīng)不斷改變的環(huán)境，進(jìn)而進(jìn)化出新的生命形式”。    寫到這里，我起身拉開窗簾，發(fā)現(xiàn)不知不覺間窗外竟大雪紛飛。前方的比日神山已披上銀裝，西藏巨柏依然孤傲地聳立于山間。如同卡羅爾教授在書末所擔(dān)憂的一樣，人類活動和全球氣候變化極大地影響著生物的進(jìn)化歷程，而對在青藏高原這類極端環(huán)境和生態(tài)敏感地區(qū)艱難適應(yīng)的生物而言更是雪上加霜。除了呼吁和祈禱之外，我們至少應(yīng)當(dāng)努力了解這些物種各自獨特的適應(yīng)機(jī)制，才能最大限度地降低威脅其生存與發(fā)展的環(huán)境擾動，以免它們走上滅絕的不歸路。    鐘揚(yáng)（復(fù)旦大學(xué)／西藏大學(xué)教授）    2012年11月于西藏大學(xué)林芝校區(qū)

內(nèi)容概要

追隨進(jìn)化論鼻祖達(dá)爾文的腳步，作者肖恩·卡羅爾在《造就適者：DNA和進(jìn)化的有力證據(jù)》中以輕松的筆調(diào)，配合科學(xué)實例，從分子生物學(xué)與進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)的角度告訴我們：進(jìn)化隨時在發(fā)生并且可以計算，亙古以來的生物皆擁有共同的“不朽基因”，如何從“化石基因”看出環(huán)境變遷和生物進(jìn)化，為何進(jìn)化不斷重演，人類和其他生物如何進(jìn)行進(jìn)化上的競賽，生物如何從簡單變得復(fù)雜。書末以歷史證據(jù)辯駁“神創(chuàng)論”，并提醒我們，人類正在改變地球的未來?！对炀瓦m者：DNA和進(jìn)化的有力證據(jù)》是一個寶庫，里面充滿了關(guān)于進(jìn)化過程如何塑造出人類和世間萬物的全新知識。

作者簡介

作者:(美)卡羅爾本書作者肖恩?卡羅爾（Sean B. Carroll），美國科學(xué)院院士，霍華德?休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的遺傳學(xué)教授，他是當(dāng)代的一流生物學(xué)家，《時代》、《美國新聞和世界報道》、《發(fā)現(xiàn)》和《紐約時報

書籍目錄

導(dǎo)讀：證據(jù)的力量致謝前言 超越一切合理的質(zhì)疑第一章 緒論：布韋島的無血魚第二章 進(jìn)化論的日常運(yùn)算：機(jī)遇、選擇和時間第三章 不朽的基因：永世不變的原地踏步第四章 以舊制新第五章 化石基因：往日的斷編殘簡第六章 似曾相識：進(jìn)化是如何不斷重演的？為什么？第七章 我們的血肉之軀：軍備競賽、人類競爭與自然選擇第八章 復(fù)雜的進(jìn)化和塑成第九章 眼見為憑第十章 懷俄明州的棕櫚樹附錄

章節(jié)摘錄

以鴿和鼠來破除疑慮    首次閱讀《物種起源》的人或許會期待看到一連串令人目眩神迷的生物多樣性場景，或關(guān)于人類起源膾炙人口的故事，但他們失望了。這是生物學(xué)最重要的典籍，我們在第一章看到的卻是……鴿。    沒錯，在5年的環(huán)游世界之旅，還有20多年的研究和寫作之后，達(dá)爾文在凝聚他畢生心血的巨作中，劈頭就談英國的鴿。    許多有才氣的杰作都是這樣開頭的。    在解釋自然選擇和萬物同源之前，他選擇了一個平易近人的例子——鴿的飼養(yǎng)，來說明選擇和血統(tǒng)的概念。    達(dá)爾文是鴿專家，他首先解釋道：“我相信最好要研究特定的種群，經(jīng)過思考之后，我選擇了家鴿。我飼養(yǎng)過所有我能取得的鴿種，也接受他人贈予的、來自各處的鴿。”    達(dá)爾文從鴿身上了解到個體差異和選擇的交互作用，也體會到選擇在經(jīng)過一段時間的作用之后，會造成物種之間的重大差別。    他指出，不同的鴿之間有很大的差異，就算捉幾只給一位鳥類學(xué)家看，謊稱它們是野生的鳥類，它們大概真的會被分類成不同的物種。但是達(dá)爾文正確推論出它們都是從原鴿進(jìn)化而來，接著，他把這個論點套用在所有生物上。    博物學(xué)家和育種者都被外表所誤導(dǎo)，認(rèn)為各個品種的家畜（牛、羊等）都是來自不同的祖先。達(dá)爾文寫道：“當(dāng)我最初養(yǎng)鴿并注意觀察幾類鴿子的時候，清楚地知道了它們能夠多么純粹地進(jìn)行繁育，我也充分覺得很難相信它們自從家養(yǎng)以來都起源于一個共同祖先，這正如任何博物學(xué)者對于自然界中的許多雀類的物種或其他類群的鳥，要作出同樣的結(jié)論，有同樣的困難。”對于人們難以正確評價選擇的影響，他的解釋很簡單：“根據(jù)長期不斷的研究，他們[育種者]對幾個族間的差異獲得了強(qiáng)烈的印象……但是他們對于一般的論點卻是一無所知，而且也不肯在頭腦里把許多連續(xù)世代累積起來的輕微差異綜合起來?！?   達(dá)爾文認(rèn)識許多養(yǎng)鴿迷，他和他們分享養(yǎng)鴿知識，了解要以選擇性的飼養(yǎng)法改變鴿種特性，得花上多少時間。他記錄道：“技術(shù)最好的育種者約翰·賽伯萊特爵士（Sir John Sebright）曾說過，在養(yǎng)鴿方面，他‘可以在3年內(nèi)養(yǎng)出具有某種羽毛顏色的鴿，但如果要培育出某種頭型和鳥喙，則要花上6年的時間’?！?   達(dá)爾文深信自然選擇歷經(jīng)時光淬煉后的力量，但在當(dāng)時就連他最忠誠的擁護(hù)者都存有異議。    麻煩的一點是，到底自然選擇的力量是不是足夠強(qiáng)大，能夠作用在個體間微小的差異上，還是說，只能作用在較大的差異上。達(dá)爾文最親近的盟友、生物學(xué)家托馬斯·赫胥黎完全相信自然選擇理論，但他發(fā)現(xiàn)有一點難以解釋，即現(xiàn)存物種和化石記錄之間的鴻溝是自然選擇長久以來不斷作用在微小差異上的結(jié)果。他寧可認(rèn)為這是選擇作用在“突變”上的結(jié)果。突變就是個體之間不連續(xù)的巨大變化，他最喜歡的例子就是人類和其他動物擁有不同的手指數(shù)。如果這種變化能在一個世代中形成，在他看來，物種間不同手指數(shù)的進(jìn)化就可以用突變來解釋。這個解釋比循序漸進(jìn)的進(jìn)化要好，赫胥黎對此堅信不渝。自然選擇的力量是否足夠強(qiáng)大，能塑造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)循序漸進(jìn)式的進(jìn)化，這問題在當(dāng)時只能留待新一代的生物學(xué)家來解答。過去有很長一段時間，達(dá)爾文學(xué)說并不被看好。    赫胥黎和達(dá)爾文終其一生完全不知道何謂遺傳機(jī)制。遺傳學(xué)最初的一些法則由一名奧古斯丁修道院的修道士孟德爾（Gregor Mendel），在19世紀(jì)50年代晚期到60年代早期（頗具諷刺意味的是，正是《物種起源》出版之時），從種植豌豆的實驗中發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時，孟德爾已知道達(dá)爾文這個人，雖然收錄孟德爾研究的德國期刊可在英國獲得，但達(dá)爾文這位偉大的博物學(xué)家從未聽說過孟德爾的研究。直到1900年，孟德爾的工作發(fā)表34年后，同時也是孟德爾死后16年，才被學(xué)術(shù)界注意到。    劍橋大學(xué)的博物學(xué)家貝特森鉆研孟德爾學(xué)說，他研究個體變異的法則，并且針對各種自然界里的非連續(xù)的重大變異寫了一本厚厚的書。這是他信仰的基石：選擇作用于個體間的重大變異；達(dá)爾文提出進(jìn)化來自微小變異的累積，這個論點并不正確。    貝特森認(rèn)為，他在孟德爾的工作中找到了支持他論點的證據(jù)。孟德爾證明，豌豆的一些特性以簡單的方式進(jìn)行遺傳，如豌豆的形狀或顏色都由單一的單元（現(xiàn)在我們稱這些單元為基因）決定。對貝特森來說，這是進(jìn)化作用在大的、分離的差異——外形是光滑還是有皺褶、顏色是黃還是綠，而不是作用在兩種性狀之間的微小變化的有力證據(jù)，這些性狀之間沒有漸變的過渡空間。孟德爾發(fā)現(xiàn)的新證據(jù)，加深了選擇論支持者和懷疑者之間的鴻溝。孟德爾定律很明顯是正確的，所以到底是什么新發(fā)現(xiàn)將達(dá)爾文重新提上來的呢？    轉(zhuǎn)折點來自某個學(xué)術(shù)新知，頗具諷刺意味的是，它曾被達(dá)爾文學(xué)說的懷疑者認(rèn)為是反達(dá)爾文學(xué)說的一大證據(jù)。這個故事完美地反映了托馬斯·赫胥黎曾提醒過的：“科學(xué)警告我，要小心地接受一個與自己眾多預(yù)見一致的觀點，并要為自己的信念找尋比自己先前反對的論點更有力的支持證據(jù)?！?   孟德爾遺傳學(xué)的發(fā)現(xiàn)為各種科學(xué)研究注入新的血液，包括動物育種實驗。在這個領(lǐng)域最重要的人物之一是哈佛大學(xué)的卡斯?fàn)枺╓illiam Castle），他結(jié)合了孟德爾的遺傳學(xué)說，以及貝特森認(rèn)為非連續(xù)變異是進(jìn)化的原材料的觀點，但是沒多久卡斯?fàn)枌ω愄厣闹С志彤a(chǎn)生了逆轉(zhuǎn)。    卡斯?fàn)柕霓D(zhuǎn)變來自一系列的育種實驗。他養(yǎng)了好幾代的鼠，一開始，他和其他生物學(xué)家都相信，選擇無法改變某一性狀，突破此性狀變異的原始極限?？ㄋ?fàn)柺且远得笔鬄閷嶒瀸ο螅@種鼠毛皮的黑色部分從頭部延伸到肩部，就像兜帽一樣?？ㄋ?fàn)柡退膶W(xué)生發(fā)現(xiàn)，他們可以通過重復(fù)地選擇性配種，制造出全新的毛色范圍。有些鼠黑毛的范圍不超出上一代，但有些鼠毛色范圍很極端，大大超出親代原本的模式（圖2.1）?？ㄋ?fàn)栆庾R到，有許多基因?qū)ｉT控制毛色分布，它們能夠創(chuàng)造出一組個體變異的連續(xù)變化，他的選擇性配種圖譜就是這些基因變異體的組合。他得出了與他原來的觀點相反的結(jié)論：漸進(jìn)的微小變異對進(jìn)化來說已經(jīng)足夠。    卡斯?fàn)柕膶嶒灪湍孓D(zhuǎn)的結(jié)論，只是將進(jìn)化論主流觀點轉(zhuǎn)向了達(dá)爾文的自然選擇的證據(jù)之一，除了這些實驗證據(jù)，還有一個全新的方法得以觸及進(jìn)化論、自然選擇，還有遺傳學(xué)，那就是數(shù)學(xué)。    P30-33

媒體關(guān)注與評論

非常精彩……卡羅爾的書必定能令讀者更好地理解進(jìn)化論。    ——查爾斯沃思（Brian Charlesworth），《自然》（Nature）    卡羅爾是一位對眾多領(lǐng)域的知識都十分精通的作者……閱讀本書就像與一位博學(xué)多聞、充滿激情的朋友共進(jìn)晚餐，在短短的幾個小時中增長見識。    ——奧爾森（Steve Olson），《華盛頓郵報》（Washington Post）    這本書中竟有那么多我從未見識過的事物……如果你想了解更多，我推薦你閱讀本書，盡管它細(xì)節(jié)眾多，但仍然簡單易懂，讀之令人愉悅。    ——弗拉托（Ira Flatow），美國國家公共廣播電臺（NPR）“科學(xué)星期五”欄目    能夠在傳播當(dāng)今科學(xué)那激動人心的研究成果的同時，傳達(dá)給我們知其然并且知其所以然的堅實基礎(chǔ)，是一種難得的天賦。在本書中，卡羅爾以一種充滿美感、有洞察力的視角詮釋了進(jìn)化的力量。    ——歐文（Douglas Erwin），《美國科學(xué)家》（American Scientist）    卡羅爾在他熱情奔放、清晰易懂的行文中，用成堆的事實駁斥了反達(dá)爾文陣營的歪理。    ——格勞修斯（Josie Glausiusz），《發(fā)現(xiàn)》（Discover）    總有些反對生命科學(xué)、阻礙科技進(jìn)步的勒德分子，一聽到與自己所知所信相左的觀點，就捂住耳朵，高聲“哇啦哇啦”大叫，企圖蓋過對方的聲音。對待這種人，我總是粗魯沒耐性，卡羅爾卻不是這樣。他和他的書友善而有魅力，在結(jié)論中溫和有禮地將那些針對科學(xué)的愚蠢譴責(zé)一一摧毀。閱讀本書并高呼：哈利路亞！    ——伯尼（Peter Birnie），《溫哥華太陽報》（Vancouver Sun）    該書能讓你迅速了解：DNA是如何證明進(jìn)化過程的……卡羅爾提供了激動人心、極有說服力的證據(jù)。    ——《出版人周刊》（Publghers Weekly）    若問當(dāng)今世上的科學(xué)家中，達(dá)爾文最愿意與誰促膝長談，除卡羅爾外別無他人。    ——魯斯（Michael Ruse），《進(jìn)化論—神創(chuàng)論之爭》（The Evolution—Creation Struggle）的作者    坦率地說，卡羅爾是生物學(xué)領(lǐng)域下一輪偉大革命的使者。他在他先前的一本著作《蝴蝶、斑馬與胚胎：探索進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)之美》（Endless Forms Most Beautiful：The New Science of Evo Deuo）中，很好地介紹了進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)這個令人驚嘆的領(lǐng)域。如今，在這本《造就適者》中，他呈獻(xiàn)了更基本的知識，讓我們洞悉分子遺傳學(xué)如何揭開進(jìn)化過程之謎。這本書簡明易懂、引人入勝，展開了令人驚嘆的景象，是一本必備讀物。    ——奎曼（David Quanmen），《猶豫的達(dá)爾文》（The Reluctant Mr.Darwin）和《渡渡鳥之歌》（The Song of the Dodo）的作者    生物學(xué)專業(yè)的學(xué)生、教師都能從作者對進(jìn)化過程的精彩敘述中獲益。在每一所學(xué)校、公共和專業(yè)圖書館中，本書都應(yīng)占有一席之地。    ——《圖書館雜志》（Library Journal）    犯罪現(xiàn)場調(diào)查員鐘愛19NA證據(jù)，因為它能為用其他手段無法偵破的案件畫上句號。這本引人入勝的書展現(xiàn)了進(jìn)化上的DNA證據(jù)，讓人一讀就會認(rèn)同進(jìn)化是個一目了然的事。進(jìn)化論這場與達(dá)爾文有關(guān)的爭論，在科學(xué)家看來早已結(jié)案，公眾卻以為它仍然備受爭議，我希望本書能改變一下公眾的想法。    ——韋納（Jonathan Weiner），普利策獎得主，《雀之喙》（The Beak of the Finch）的作者    卡羅爾在寫作方面極有天賦，他是在邀請讀者，從內(nèi)部去了解科學(xué)。他輕松自如地解釋了生物學(xué)研究領(lǐng)域中最前沿的科學(xué)奇跡。從頭至尾，本書引人入勝、簡明易懂，它適合所有的讀者，無論他們支持進(jìn)化論還是反對進(jìn)化論。達(dá)爾文曾言，進(jìn)化科學(xué)將照亮生命科學(xué)研究的每一個角落，在卡羅爾筆下，確實如此。    ——米勒（Kenneth R.Miller），《尋找達(dá)爾文的神》（Finding Darwin's God）的作者

編輯推薦

《造就適者：DNA和進(jìn)化的有力證據(jù)》作者肖恩·卡羅爾教授顯然是一個講故事的高手，他將一個個涉及不同物種在不同地域和不同生境中的進(jìn)化故事娓娓道來，向我們展示了令人驚異的、鮮活的進(jìn)化線索及其分予證據(jù)。    卡羅爾是一位對眾多領(lǐng)域的知識都十分精通的作者……閱讀本書就像與一位博學(xué)多聞、充滿激情的朋友共進(jìn)晚餐，在短短的幾個小時中增長見識。

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