【新语丝电子文库(www.xys.org)(www.xys2.org)】 ———————————————— （选自《进化新篇章》，方舟子著，湖南教育出版社2001年4月出版，25万字，284页， 94幅插图，国际书号：753553354x） 分子作证——分子生物学的证据 ·方舟子· 　　现存的生物物种已知的有几百万种，粗略地可分为细菌、原生动物、真菌、植 物、动物几大界。在前面我们已介绍了对于同一界的生物，比如动物，虽然外形多 种多样，在器官、组织水平上却是相似的。如果我们深入到细胞、分子水平，就会 发现所有的生物的构成都相当的一致，界限变得相当的模糊。 　　已知所有的生物（界于生物与非生物之间的病毒除外）都是由细胞组成的，细 菌的细胞较原始，没有细胞核和细胞器，称为原核细胞，具有细胞核和细胞器的细 胞则称为真核细胞。同为真核细胞的动物细胞和植物细胞也是非常相似的，都有细 胞膜、细胞核和线粒体、溶酶体、核糖体等细胞器，不过植物细胞还有细胞壁和叶 绿体。组成细胞的生物大分子有核酸、蛋白质、多糖和脂类四种，这些生物大分子 的成分在所有的生物中也是一致的：核酸都由嘌呤和嘧啶组成，蛋白质都由氨基酸 组成，多糖都由单糖组成，脂类则由甘油和脂肪酸组成。这是生物结构在分子水平 上的一致性。 生命现象在分子水平上也是一致的。所有的生物（包括病毒）都用核酸作为遗 传物质，而且除了一些病毒用RNA，其他的生物都用DNA。所有的遗传物质都 按碱基配对的原则进行半保留复制。核酸用于翻译蛋白质的遗传密码在所有的生物 中也是一致的。所有的生物都只用20种氨基酸合成蛋白质，而且尽管在自然界中， 氨基酸有左手和右手两种构型，我们人工合成的氨基酸也是左手和右手构型各占一 半，然而所有的生物都只采用左手构型的氨基酸合成蛋白质。在用单糖合成多糖时， 则只采用右手构型的单糖。生物为什么会使用同一套遗传语言（实验表明，它们完 全可以采用不同的遗传密码）？为什么对生物小分子的构型如此挑剔又如此一致？ 除了它们来自于同一祖先，都继承了共同祖先的特性外，没有别的合理解释。除了 遗传，生命的另一重要特征是新陈代谢。在分子水平上，所有生物的新陈代谢也表 现了很大程度的一致性。几乎所有的细胞，都采用相同的十个步骤把糖原酵解成丙 酮酸，而且每一步骤都由相同的酶催化。所有的真核细胞都通过三羧酸循环释放能 量。 　　生命结构和生命现象在本质上的一致性，证明了所有的生物都来自同一祖先这 一论断；而生命结构和生命现象在表面上的多样性，证明了所有的生物都经过进化 而来。这就是现代生物学的结论。 在分子水平上，我们也能发现许多“化石”。比如“假基因”，就是以前的真 基因失去了功能之后遗留在细胞内的“分子化石”。这是生物进化的最有说服力的 证据之一（参见第一章第三节）。 　　生物既同源又分化，既一致又多样，比较各个物种的相似性和差异性，我们可 以推测它们在进化上的位置，确定各物种亲缘关系的亲疏，从而绘出亲缘关系树（ 学名叫“种系发生树”）。这方面的工作，以前主要是同过古生物化石的研究和形 态比较进行的，现在，我们已完全可以在分子水平上，通过比较蛋白质的氨基酸序 列和基因的核苷酸序列，来描绘种系发生树。现代生物学对进化的研究，不仅在总 体上肯定了传统生物学的结果（这是进化论之所以正确的必要条件），而且使进化 论的研究更精确，达到了定量化的程度。 　　如果我们要在分子水平上比较现存物种的亲缘关系，最好找一种在各个物种中 都同时存在的蛋白质或基因。基因测序技术是最近十几年才有了重大突破，在此之 前，我们只能先比较蛋白质序列。1967年，细胞色素ｃ的序列比较被选择作为 分子生物学在进化论上的最初应用。细胞色素ｃ是参予细胞呼吸的重要蛋白质，在 所有的需氧细胞中都存在。至今已有许多物种的细胞色素ｃ的序列被测定，我们在 此只选择一些代表性物种，与人的细胞色素ｃ序列（共104个氨基酸）相比，其 序列的差异百分比如下： 　　黑猩猩：０　　　　罗猴：１　　　　兔：９　　　　鸡：１３ 　　响尾蛇：１３　　　牛蛙：１７　　　金枪鱼：２０　果蝇：２７ 　　小麦：３８　　　　酵母菌：４１　　紫红螺旋菌：６５ 　　（注：酵母菌是真核生物，螺旋菌是细菌即原核生物。） 　　粗粗地一看，就已觉得跟进化论的预测符合得很好，比如，进化论认为人与黑猩 猩、猴子最亲，它们的序列差异也确实最小；与酵母菌、细菌最疏，所以差异最大 。如果我们由蛋白质序列反推基因序列，再由基因序列的不同算出各个物种的亲疏 差异（“最小突变距离”），我们可以很精确地绘出这些物种的种系发生树，其结 果，与原先通过古生物学、解剖比较学得到的符合得很好，只是更加精确了，定量 化了。这样，进化论就被分子生物学所验证。 　　但是，有一个问题值得讨论一下，因为懂得一点分子生物学的神创论者往往对 此大作文章。 　　根据进化论，哺乳动物的进化路线是： 　　　原核生物－＞单细胞真核生物－＞无脊椎动物－＞鱼类－＞两栖类－＞爬行 类－＞哺乳类 　　那么，酵母菌、果蝇等等的序列应该比人的更靠近细菌吧？把这些物种的细胞 色素ｃ序列与细菌的相比，结果似乎“出乎意料”： 　　酵母菌：６９　　　果蝇：６５　　　　金枪鱼：６５ 　　牛蛙：６５　　　　响尾蛇：８４　　　人：６５ 　　奇怪，怎么都跟细菌离得一样远甚至更远？ 　　另外，既然爬行类在进化路线上介于两栖类与哺乳类之间，那么蛇的序列就该 是介于牛蛙和人的序列之间的“过渡型”序列吧？但是比较了它们的氨基酸序列的 组成后，否定了这种“预测”。 　　于是对分子生物学一知半解的神创论者便宣称分子生物学的研究否定了进化论。 　　事实又是如何呢？ 　　实际问题的解答很简单：在哺乳类进化的同时，其它的生物并没有保持不变， 也在不断地进化，现代的爬行类早不是几亿年前的爬行类，现在的两栖类也早已不 是几亿年前的两栖类，在几亿年间，它们的蛋白质不知已突变了多少次，怎么能指 望现代的爬行类、两栖类的蛋白质序列比哺乳类的更靠近细菌（其实细菌也在不停 地进化），又怎么能“预测”现代的爬行类的蛋白质序列还是两栖类和哺乳类之间 的过渡型？进化论的真正预测是：如果哺乳类是在两亿多年前由某种爬行类进化来 的，那么当时哺乳类和爬行类的蛋白质或基因序列的差异性一定会小于现代的哺乳 类和爬行类。这种预测好象无法验证，其实不然，聚合酶链反应（PCR）技术的 发明使我们已能够从古生物化石中提取DNA大量扩增，这几年来一直有人在作这 方面的实验，试图建立一门“分子古生物学”，只不过得到的数据很零散，还不足 以说明问题。 　　而所有生物一直在进化的根本原因，是因为作为遗传物质的核酸在复制过程中 会自己发生突变，这种突变是随机的、自发的，与环境的变化无关（当然，核酸还 会被诱变），因此每一种基因以及蛋白质都按一定的速率在发生突变，这种现象， 被称为“分子钟”现象。实际上，有了分子钟这个概念，不仅可以明白为什么爬行 类的序列不比哺乳类更靠近细菌，而且可以让我们推算各个物种分支的时间。值得 一提的是，分子钟的概念早在1962年就已提出，并非是针对细胞色素ｃ序列“难 题”的事后诸葛的解释。 　　正因为所有的生物都同时在进化，使得今天的各个物种——打个不很确切的比 方——是兄弟、堂兄弟、族兄弟关系，而不是父子、祖孙关系。因此，从来没有哪 一个进化论者会绘出这样的亲缘关系图： 　　细菌－酵母菌－果蝇－金枪鱼－牛蛙－响尾蛇－人 　　虽然神创论者一直想让人们对进化论形成这种印象，今天人们也还把“人是由 （现代）猴子变来的”这句话挂在嘴上，而实际上，我们对现存物种的亲缘关系一 直是这么（或类似）描绘的（图4－11）。 　　如果用其它的蛋白质研究，也可以得出相似的结果。比如我的博士论文研究的 是一种蛋白因子（RAP30），它对DNA转录RNA有重要的功能。它是首先在人 体细胞中被发现并克隆出它的基因的，由于转录是一切细胞都具有的重要的生命现 象，因此我们（根据进化论）预测它在别的生物中也应该存在。果然，几年后这种 因子在大鼠、蛙、果蝇和酵母菌中被陆续发现并克隆。把这些序列与人的比较，差 异程度（百分比）如下： 　　大鼠：３　　蛙：２７　　果蝇：５１　　酵母菌：７３ 　　它跟细菌的一种转录因子（sigma70）也有局部的相似性。 　　我们可以据此定性地画出种系发生树（图4－12），其结果与用细胞色素ｃ画 出来的符合得很好。 　　比较蛋白质序列，不仅仅可以确定一些大类群的亲缘关系，而且可以非常细致 地比较一个类群内各物种的亲缘关系。比如比较各种哺乳类的细胞色素ｃ序列，可 以绘出这样的亲缘关系树（图4－13）。如果是比较血红蛋白贝塔链，则得到类似 的结果（图4－14）。 　　虽然有四处不同（用＊标出），但总体上符合得很好。这些不同可以当误差。 即使把这些不同考虑在内，如果这十一种物种没有任何的亲缘关系的话，随 机组合产生这两幅关系树的机率是二十万分之一。这才仅仅比较了两种蛋白质，实 际上至今比较过的蛋白质都产生了类似的关系树，其没有亲缘关系的机率更是低得 近于零了。 　　蛋白质氨基酸序列的改变，是由基因突变引起的。但是并非所有的基因突变都 能引起蛋白质序列的改变。绝大多数的氨基酸是由两种以上的遗传密码转译的，比 如精氨酸的遗传密码是ＡＧＡ和ＡＧＧ，如果基因仅仅是从ＡＧＡ突变为ＡＧＧ， 就不引起蛋白质的突变，称为无义突变。因为无义突变没法从蛋白质序列测出，所 以直接比较基因序列比比较蛋白质序列更精确地反映了各个物种的异同。比如，人 和黑猩猩的绝大多数蛋白质的序列完全一样，靠比较蛋白质序列无法知道它们的差 异。如果比较基因序列，则人和黑猩猩有大约１％的差异。基因序列的比较与蛋白 质序列的比较相似，在此不再介绍。 　　在结束本节之前，让我们来看一个假想的案例： 　　张三李四是一对孤儿，自幼父母双亡，分别被日本人和法国人领养。很多年后 ，在日本的张三到法国认亲，但李四不想认这个哥哥，两人告上了法庭。 　　李四：张三不是我的兄弟，连亲戚也不是。不错，我们两个长得很象，那只是 巧合。世界上长相相似而没有血缘关系的人多了。我们两个言行举止都大不一样， 怎么可能是兄弟？ 　　张三：我们言行举止不同，是因为我们长在不同的国家，风俗习惯不同（“趋 异现象”），但是我们本质上是一样的，我们体内都流着祖先的血。如果说我们相 貌相似只是巧合的话，法医已经证明我们在血清学、遗传学、分子生物学（DNA 序列）上都极其相似甚至完全相同，难道全是巧合？ 　　李四：好，我承认这不是巧合。但是我们都不知道我们的父母是谁，说不定我 们根本就没有父母，我们是上帝单独创造出来的，他用了同一张蓝图，所以我们才 会这么相似。 　　张三：请注意我们并不完全一致。 　　李四：是的，那是因为上帝虽然用的是同一张蓝图，但是因为要让我们长在不 同的国家，所以在造的时候分别做了点修改。 　　张三：既然这样，上帝为什么不把你造得更象其他法国人，为什么不把我造得 更象其他日本人？为什么偏偏让一个在法国一个在日本的我们如此相似，比世界上 任何人都相似？为什么上帝让你的血清中含有一种跟我一样的特殊因子，而法国人 的血清中没有这种因子，你要是受伤需要输血是很困难的。为什么上帝还要给你一 个东方人的胃，消化不了法国的奶酪…… 　　李四：上帝的意图我们怎么知道！我怎么知道他安的什么心！但是法官大人， 我的的确确不是张三的兄弟啊，你要是判定我们是兄弟，你就是违背上帝的旨意， 违背《圣经》的教导！ 　　亲爱的读者，如果你是法官，你怎么判这个案子？如果把张三李四的官司换成 人和黑猩猩的官司，你又怎么判这个案子？ 　　是的，如果用上帝的创造来解释生物现象，我们永远无法知道他的创造意图何 在。但是如果我们用进化论解释生物现象，我们就能给出合理的解释，即使有的目 前还无法解释的，将来也有可能给出解释。 　　如果用上帝的创造来解释生物现象，对于生物科学的研究和日常生活没有任何 的用处。而进化论不仅是理论科学，也是应用科学，它可以指导生物科学的研究， 也可以解决日常生活中遇到的一些难题。在下一节中，就让我们来看看进化论的具 体应用。 ———————————————— 【新语丝电子文库(www.xys.org)(www.xys2.org)】