上世纪50年代，芬兰生物学家比约恩·库尔滕（Bj?rn Kurtén）发现，在他研究的马化石中，有一种异乎寻常的现象。当他对比只相隔了几代的马骨形状时，发现了很多细微但重要的变化。而相隔数百万年的马骨，表现出来的形态差异却要少得多。随后半个世纪的研究发现了类似的现象：当科学家用更短的时间跨度来对化石进行观察比对时，发现生物的进化速度似乎比过去所认为的更快。 2005年前后，悉尼大学进化生物学家西蒙·何（Simon Ho）在他研究的基因组中，发现了类似的现象。他在计算鸟类和灵长类动物的DNA突变在数千年内的积累速度时发现，基因组充斥着细微的突变。这说明，“进化钟”在快速转动。但当他着眼于更长的历史跨度，对相隔数百万年的DNA序列进行比较时，结果却截然不同：“进化钟”的速度慢如龟爬。 这使西蒙十分困惑，于是，他试图找出背后的原因。他偶然得知了库尔滕在1959年的研究，他意识到，生物形态变化速率的那种差异在基因序列中同样存在。 作为进化生物学家，直觉告诉他，他发现的短期突变速率是正确的。基因组只在少数几个地方有所不同，但每个突变就像是在白色墙壁上泼一片油漆那么明显。 而如果墙上出现更多的油漆，新泼的油漆会逐渐遮盖原来的墙壁颜色。类似的道理，进化和自然选择也会覆盖掉原先在短期内曾经出现的突变。在数百万年的时间里，DNA中的一个A可能变成T，但在这个过程中，它可能变成过C，也变成过G。西蒙认为，这种突变饱和是进化速率随时间改变（他称之为时间相关速率现象）的主要原因。 悉尼大学进化生物学家西蒙·何发现，进化速度并非一成不变。 “这好比股市。”他说。看看标普500指数在一天或者一小时之内的波动，它显得非常不稳定，起伏剧烈。但在更长的时间段内，股市看上去就要稳定得多，因为每天的变化开始向平均水平靠拢。同样，随着时间的推移，自然选择的力量会逐渐淘汰那些对生物体不利的突变。 对生物学家来说，在基因组中发现时间相关速率现象，具有重大意义。这意味着，在解读生命进化过程时——从几十亿年前真核细胞和原核生物的首次分裂，到2014年埃博拉病毒的再次出现——生物学家用来作为标记的许多时间点，可能都是错的。“当这一发现公布时，所有人都惊呆了。”澳大利亚国立大学进化生物学家罗布·兰菲尔（Rob Lanfear）说。 一开始，时间相关速率现象并没有被完全认可。首先，这是一个意义重大的概念，生物学家需要时间来思考。但更大的阻碍在于，这一概念几乎不可能得到应用。生物学家无法完全确定，他们应该在多大程度上改变他们在整个进化史中，对进化事件所发生时间的估计。如果没有一种具体可行的方法来计算进化速率的变化，科学家就无法对时间点进行比较。 近日，牛津大学古生物病毒学家阿里斯·卡祖拉奇斯（Aris Katzourakis）将时间相关速率现象运用到了病毒进化的研究中。他不仅把某种逆转录病毒的起源时间回溯至大约5亿年前（远早于动物首次从海洋登上陆地的时间），而且还建立了一个数学模型，用来分析时间相关速率现象，从而让生物学家可以更加准确地估计进化事件的发生时间。 美好的前景令其他科学家激动不已。“这就像爱因斯坦的相对论，只不过是在病毒领域。”墨尔本大学计算进化生物学家塞巴斯蒂安·杜赫（Sebastián Duchêne）说。根据时间相关速率现象，生物的进化速度取决于观察者所着眼的时间范围。就像有了相对论一样，现在，生物学家知道该如何调整他们对进化时间点的估计了。 寻找病毒化石卡祖拉奇斯的主要工作是确定艾滋病病毒（HIV）和其他逆转录病毒的起源。逆转录病毒由单链核糖核酸（RNA）组成。 他在研究HIV的突变速率时发现，它是进化速度最快的已知病毒之一。其快速突变是有原因的：像DNA这样的双链分子拥有分子校对机制，常常可以纠正复制过程中产生的错误，但HIV和其他单链RNA病毒却没有。错误只会导致错上加错。 因此，病毒学家只能直接研究这类病毒的近期历史。时间更久远的样本已经达到突变饱和，积累的错误太多，科学家无法一一解释清楚。将逆转录病毒的历史往前推几千年或几百万年，这需要一种不同的方法来计算突变速率。 卡祖拉奇斯采用了另一种方法。他在宿主的DNA内寻找类似于病毒化石的东西。逆转录病毒常常把它们的基因副本插入宿主的细胞。大多数时候，DNA上的信息会随着宿主的死亡而消失。不过，偶尔会有一个逆转录病毒在进化的道路上运气爆棚，溜进精子或卵细胞的基因组。在宿主的DNA中安全定居后，那个病毒就会一代一代传下去。 卡祖拉奇斯就是利用这些病毒残骸来研究逆转录病毒的古老起源。在此过程中，他有了一个意外的发现：逆转录病毒的长期进化速率似乎大幅放缓，几乎与人类和其他复杂生物体相当。复杂生物体拥有校对机制，其进化速率理应比逆转录病毒慢得多。 如果病毒的进化速度比科学家料想的要慢得多，这可能意味着，这些病毒比科学家预计的要古老得多。毕竟，与进化较快的病毒相比，进化较慢的病毒需要更长时间才能达到同样的进化程度。 于是，他开始寻找逆转录病毒的准确起源时间。他研究了一类最古老的逆转录病毒，也就是泡沫病毒，猴子、牛等许多种动物都会感染这种病毒。通过这种方式，卡祖拉奇斯可以校准“进化钟”，以确定泡沫病毒出现的确切时间。如果两个物种拥有相同的泡沫病毒基因序列，那么在这两个物种分化之前，泡沫病毒肯定已感染了它们共同的祖先。 “如此一来，我们就可以得知远古进化事件的发生时间，而这种方法不依赖于基因序列本身。”卡祖拉奇斯说。 牛津大学古生物病毒学家阿里斯·卡祖拉奇斯把一类病毒的起源时间推回到了约5亿年前，远早于动物首次从海洋迁徙至陆地的时间。 此前，研究人员已逐渐把泡沫病毒的起源时间回溯至1亿年前。但卡祖拉奇斯发现，有迹象显示，泡沫病毒感染爬行动物、两栖动物甚至鱼类的历史远远超过1亿年。但1亿年这个时间已被广泛认可，想要证明逆转录病毒的历史不止1亿年，卡祖拉奇斯必须确定泡沫病毒的起源时间才行。 他查阅了西蒙关于时间相关速率现象的论文，想知道如何将它应用到病毒研究中。他还想建立一个通用模型，让研究人员输入他们观察的时间范围，便可得到生物进化速率的相关细节。 为了确定进化速率如何随不同的时间范围而改变，卡祖拉奇斯和他的学生帕坤·埃尤萨昆（Pakorn Aiewsakun）尝试了四种不同的方法。他们发现，一个幂律衰减模型最符合他们的数据。该模型显示，进化速率随着时间范围扩大而以指数方式减小。随后一项对396种病毒的研究显示，几乎所有基因组类型和复制策略的进化速率都以相同的速度放缓。现有的“进化钟”没有考虑到时间相关速率现象，因而对古病毒的起源时间判断有误，实际上，它们的历史要古老得多。 然后，卡祖拉奇斯和埃尤萨昆利用新建的数学模型，重新计算泡沫病毒的起源时间。他们发现，泡沫病毒出现于4.6亿至5.5亿年前。亚利桑那大学病毒学家迈克尔·沃洛贝（Michael Worobey）进行的独立研究也显示，这些病毒的起源时间比预想的要早。他们的研究使泡沫病毒成为了所有已知病毒类型中最古老的一种，不过卡祖拉奇斯认为，可能还有比它更古老的病毒。 上述发现的意义远远不只是找到了最古老的病毒那么简单。关于泡沫病毒的起源时间，两组科学家得出了相同的结论，这表明，时间相关速率现象不只是统计学的遗珠，也不只是研究人员用来确定物种起源时间的方法。除了这些，卡祖拉奇斯的模型还为研究人员提供了一种工具，以此来确定时间相关速率现象所产生的影响，而这反过来又能帮助我们了解造成这种现象的原因。 从更广泛的意义上来说，卡祖拉奇斯和西蒙的研究对进化速率保持不变的观点提出了挑战。“这改变了我们对分子进化的认知方式。”杜赫说，“它表明，进化速率并非一成不变。即便是同样的生物，进化速率也会随时间而改变。” 卡祖拉奇斯说，这还意味着，科学家可能需要重新确定远古进化事件的发生时间，因为他们可能低估了这些事件的“年龄”。卡祖拉奇斯还想知道，自然选择和突变饱和所导致的某些突变被删除，这是否是造成时间相关速率现象的唯一原因，抑或是，有其他因素在这种现象中发挥了作用。 “究竟是我们工具的局限性，还是我们忽略了什么？如果我们能弄清楚这个过程，将大大加深我们对进化的了解。”卡祖拉奇斯说。 翻译：于波 来源：Quanta Magazine 造就：剧院式的线下演讲平台，发现最有创造力的思想 |
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