本文轉載自：格致論道講壇"公眾號(ID:SELFtalks)

大家好，我叫鄒征廷，來自中國科學院動物研究所。今天非常榮幸來到格致校園，跟大家分享生命演化的圖景。

人是不是猴子變的？

已完成：10%//////////

作為一個演化生物學研究者，我經(jīng)常會被大家問到一個問題：人是不是猴子變的？這個問題其實由來已久——在達爾文發(fā)表《物種起源》之后，有很多演化理論的反對者畫了一些漫畫來諷刺他。

比如這張漫畫里，猩猩就指著達爾文說：這個人居然想上我的族譜！由此可見，“人到底是不是猴子變的”一直是大家非常糾結的問題。

這個問題還有一個進階的版本，它涉及到我們對生命演化整體圖景的理解，經(jīng)常會把我們演化研究者也給繞暈：如果人是猴子變的，那現(xiàn)在為什么還會有猴子呢？

如果我們?nèi)ゾW(wǎng)上搜索“演化”這個關鍵詞，大概率會看到這樣一個經(jīng)典的梗圖：一只猴子沿著一個路徑一步一步地走，最后就變成了一個人。那現(xiàn)在我們要認真地去探討一下，生命演化的整體圖景到底是不是這樣單一的路徑？

其實不是的，演化其實更像是一棵樹。我們在研究當中，把它叫做系統(tǒng)發(fā)育樹或者演化樹。1859年，達爾文發(fā)表的《物種起源》這本書的第一版中，只有唯一的一張插圖。這張插圖，就是達爾文手繪的一張系統(tǒng)發(fā)育樹的圖。

▲ 達爾文手繪的系統(tǒng)發(fā)育樹

所以說，達爾文對于演化理論的核心貢獻其實有兩條：首先是他提出了所有的物種都有一個共同的祖先，并且所有的物種是沿著一個樹狀的演化關系，從這個共同祖先分化出來的；其次才是他的自然選擇理論，來表明自然選擇是演化過程當中的推動力。

系統(tǒng)發(fā)育樹是演化研究里非常重要的一個概念，因為幾乎所有的演化事件都發(fā)生在這樣一棵樹上。在達爾文的這棵樹上，時間是由下向上流逝的，像左邊這張圖一樣。

如果我們把這棵樹側過來放，讓時間從左向右流逝，我們就可以得到右邊的這棵樹。在這棵樹上，我們可以標明祖先物種，也可以表現(xiàn)出祖先物種經(jīng)過多次的分化事件，分化出來一些新的物種。其中有一些物種，又經(jīng)歷了滅絕的事件。

我們經(jīng)常探討的——物種適應了環(huán)境，發(fā)生了自然選擇的過程，其實也是在這棵樹上發(fā)生的演化事件。有了這樣一棵樹之后，我們其實已經(jīng)可以去回答前面第二個問題了：如果人是猴子變的，現(xiàn)在為什么還有猴子呢？

從這棵樹上，我們可以很輕易地看到現(xiàn)代的人和猴子，是具有一個共同祖先的。我們都是從共同祖先分化而來，所以現(xiàn)在既有猴子也有人，并不是一件很稀奇的事情。

如果我們要追溯第一個問題：人是不是猴子變的——其實就是在追問，人和猴子的共同祖先叫什么？我們能不能把它叫做猴子？這是物種分類和命名的問題，所以它是一個分類學問題。

分類學的開端，其實要遠遠早于演化生物學。在1735年的時候，瑞典的博物學家卡爾·林奈就已經(jīng)發(fā)表了《自然系統(tǒng)》這本書，提出了近代的一個物種分類方法。

▲ 卡爾·林奈

大家可以看到，林奈是把物種分類做成一個表。在這個表中，他把動物分成了四足類、鳥類、兩棲類和魚類等等。

所以，分類學在這個時期，僅僅只是對物種分門別類，與它們之間的演化關系并沒有關聯(lián)。事實上，林奈并不認為物種之間有一個演化關系，或者說它們有一個共同的祖先。但是，現(xiàn)在我們從演化的角度再去重新審視理解分類學，能發(fā)現(xiàn)這兩者之間有什么樣的關聯(lián)呢？

我們知道，分類學是按照域、界、門、綱、目、科、屬、種這樣幾個分類階元，把物種分成不同的類別。我們可以想象，如果同樣的一個類別當中的物種，它們的演化關系也是更近的，我們就說分類學和演化歷史是相一致的。

▲ 人類在自然界的分類地位

比方說在這棵樹里，人和黑猩猩的親緣關系是很近的，那么包含這兩個物種在內(nèi)的人科物種，它們的共同祖先在演化歷史上，就是距離我們現(xiàn)在這個時間點更近的一個史前物種。如果再加上普通獼猴，由于猴子跟我們?nèi)说挠H緣關系相距更遠，所以包含人、黑猩猩、普通獼猴這三個物種的狹鼻小目這一分類階元——這些物種的共同祖先在演化上，就要追溯到一個更遠的歷史時間點。

▲ 狹鼻小目的分類階元

那么 ，如果我們能夠分辨出人和普通獼猴的共同祖先能不能叫做猴子，我們也就能回答前面那個問題：人是不是從猴子演化來的？在理想中，當我們說猴子這樣一個俗稱或者說一 個分類學名詞的時候，我們總是希望它是系統(tǒng)發(fā)育樹上一個完 整的分支。

什么叫做完整的分支呢？就是像圖中這樣，我們用一把剪刀可以一下就從樹上把這個分支剪下來，這樣一個類群，我們就把它叫做單系類群。一個單系類群里的所有物種，都具有相近的親緣關系，并且具有相近親緣關系的所有物種都被包含在這個單系群里面。

▲ 單系類群

那么，如 果我們所有的分類階元都是一些單系類群，我們對物種的分類就是和真實的演化歷 史完美對應的?，F(xiàn)實情況是不是如此完美呢？當然不是的，其實我們的猴子就不是一個單系類群。

通常，我們會稱為猴子的、比較熟悉的猴子包含兩類：一類是分布在美洲的新世界猴，另一類是分布在舊大陸的舊世界猴。那么，這兩類物種——大家可以看到，在系統(tǒng)發(fā)育樹上并不能用剪刀一下剪下來，我們至少要剪兩下。那么，這種至少要剪兩下，但又是同一個分支的，我們把它叫做并系類群。

所以，現(xiàn)在我們可以說，人其實是從猴子這樣一個并系類群當中演化產(chǎn)生的。我們也可以說，在人和猴子的共同祖先這里，它仍然屬于猴子這個并系群，所以這個共同祖先也可以叫做猴子。

▲ 并系類群

經(jīng)過了比較復雜的邏輯推理之后，我們最后得出的結論是——人確實是由猴子變來的。這個并系群的存在促使我們?nèi)ブ匦滤伎?，傳統(tǒng)分類學當中的很多分類階元是不是合理？

這里我們再舉兩個例子，一個就是白蟻和蟑螂。這兩種昆蟲類群在形態(tài)上差別非常大，在傳統(tǒng)分類中，我們會把它們叫做蜚蠊目和等翅目，兩個平行的分類階元。但是如果我們看系統(tǒng)發(fā)育樹，就會發(fā)現(xiàn)白蟻是從蜚蠊目，也就是蟑螂中演化出來的一個分支。

所以，知道了這一點之后，我們分類學家就可以根據(jù)這個演化歷史修改傳統(tǒng)分類。我們把白蟻從原本的等翅目降級變成等翅下目，把等翅下目和所有的蟑螂合并在一起，形成新的蜚蠊目。這樣更改之后，我們的分類系統(tǒng)就跟演化歷史更相符了。

另外一個更有意思的例子，就是爬行類和鳥類。在傳統(tǒng)的分類學當中，這是兩個平行的綱，我們把它叫做爬行綱和鳥綱。我們知道，爬行類其中包含很多類別，包括我們熟悉的龜鱉類、鱷魚、蜥蜴和蛇等等，也包括小朋友們都很喜歡的翼龍、恐龍和魚龍這樣一些史前生物。

如果我們考察系統(tǒng)發(fā)育樹，我們會發(fā)現(xiàn)這兩個類群——鳥和爬行類并不是獨立的，鳥類其實是恐龍當中的一個分支，也就是獸腳亞目演化而來的。這樣一看，我們就不得不把爬行類叫做并系類群。換句話說，鳥類其實就是一種恐龍。

因此，我們把鳥類和爬行類在分類當中并列起來，也是不太合適的了。前面我們了解了系統(tǒng)發(fā)育樹的概念，現(xiàn)在我們就來看一下，不同的生物類群在系統(tǒng)發(fā)育樹上，能夠給我們呈現(xiàn)什么樣的演化現(xiàn)象。

趨異演化vs趨同演化

已完成：50%/////// / / /

首先，大家可能都非常關注，為什么不同的生物會長得多種多樣？這里我們舉一個達爾文雀的例子：

達爾文雀是分布在加拉帕戈斯群島上的一個類群，從一個共同的祖先開始，達爾文雀經(jīng)歷了200萬年的演化時間，演化出了18個不同的物種。

▲ 加拉帕戈斯群島

從這棵系統(tǒng)發(fā)育樹上，我們可以看到這18個物種——它們的喙，也就是嘴的形狀、大小長得都各不相同。這是因為什么呢？我們大家都不難想到，這是因為不同的達爾文雀物種，它們吃的食物是不同的，就像人類吃不同的食物、用不同的餐具一樣。

▲ 達爾文雀的系統(tǒng)發(fā)育樹

不同的達爾文雀物種，在吃昆蟲、種子的時候，所需要嘴的形狀是不同的。因此，我們說，這是不同的物種對環(huán)境發(fā)生適應，從而發(fā)生的趨異演化。這個趨異演化可以讓生物長得多種多樣。

▲ 達爾文雀嘴型與食物的關系

我再舉另外一個例子來解釋趨異演化，那就是非洲麗魚。水族愛好者都會非常熟悉，這就是我們所 說的“三湖慈鯛”?！叭敝阜侵薜娜齻€大湖，在50萬年的時間之內(nèi)，慈鯛的共同祖先 就在這三個大湖當中，演化出了上千個物種。

我們可以看到，這些物種的形態(tài)各不相同，非常絢麗多彩，并且它們的生活習性差別也非常大。這也是趨異演化讓生物長得多樣的驚人例子。

講完了趨異演化之后，我們再來說一下生物什么時候會長得更像？有的人可能覺得，這件事情難道不是很簡單嗎？我們兩個物種親緣關系很近，當然就會長得更像。

既然如此，我請大家來猜一下圖中展示的三個物種——非洲草原象、馬島猬、大耳猬，這三個物種哪兩個物種是近親，或者哪兩個物種的親緣關系更近呢？

▲ 左：非洲草原象 中：馬島猬 右：大耳猬

大家可能會覺得，馬島猬和大耳猬看起來身上都有很多刺，長得非常相似，它們應該是近親。但是，如果我們?nèi)タ聪到y(tǒng)發(fā)育樹，就會發(fā)現(xiàn)馬島猬居然跟大象是近親，而大耳猬是一種真正的刺猬。它和另外兩個物種的親緣關系，其實是非常遠的。這就是一個趨同演化的例子。趨同演化可以讓適應了相同生活方式的生物長得更像。

講到這里，可能大家已經(jīng)有點迷糊了。我們的生物類群什么時候會發(fā)生趨異演化？什么時候會發(fā)生趨同演化呢？

這里我們再舉一個例子——澳洲的有袋類。有袋類從一個共同祖先演化出了很多不同的物種，比如說會在空中滑翔的袋鼯、能夠在地下鉆洞生活的袋鼴、食草的袋熊和食肉的袋狼等等，這就是同一個生物的演化支系適應了不同的環(huán)境，從而變得多種多樣的趨異演化現(xiàn)象。

我們把澳洲的有袋類和北美洲的有胎盤類哺乳動物進行對比，會發(fā)現(xiàn)這兩個不同的演化支系當中，有一些物種在適應相似的環(huán)境的時候，會發(fā)生趨同演化。比如說，我們非常熟悉的狼和有袋類的袋狼，它們都是各自生活環(huán)境當中的頂級捕食者，都是吃肉的，所以它們的體型也會長得非常相似。

所以總結一下，同一個支系適應不同環(huán)境的時候發(fā)生趨異演化，不同的支系適應相似的環(huán)境的時候就會發(fā)生趨同演化。

基因演化研究

已完成：70%///////// /

前面我給大家介紹了很多有趣的演化的歷史圖景，現(xiàn)在我想來給大家解釋一下，我們是怎么研究這些歷史圖景的。

我本人是研究基因組演化的，我們認為演化的歷史圖景，大概率是寫在我們基因組當中的。每個動物的個體，每個生物的個體，都有我們自己特殊的基因組。我們的基因組，存在于身體的每一個細胞當中。

我們可以把它理解成是一個零件加工手冊，我們的細胞根據(jù)這個加工手冊，加工出一些不同的蛋白分子，作為構成我們身體的零件。這些零件會進一步組裝成細胞，這些細胞就像機器的部件一樣，再進一步地組裝，就構成了我們像機器一樣的身體。

我們每一個生物個體具有不同的形態(tài)和功能，不同的生物個體之間形態(tài)功能的差異，其實就是來源于基因組上的差異，或者說是在演化上產(chǎn)生的一些突變。所以，我們做分子演化或者基因組演化研究的這些工作者，希望從基因組當中去讀出一些演化的歷史。

我們平時的工作，可能跟很多人想象當中的，或者傳統(tǒng)印象里的演化生物學家去研究古生物或者做實驗是不同的。我們更像是一些程序員，每天主要的工作就是在電腦上編寫程序，對大量的基因組數(shù)據(jù)進行分析，試圖從中去解釋我們感興趣的一些演化現(xiàn)象，讀出演化的歷史。

大家可能會好奇，在基因組當中怎么找到演化信息？能找到什么樣的演化信息？

這里我再舉一個同樣是趨同演化的例子。大家知道，蝙蝠和齒鯨都具有回聲定位能力，它們能向前發(fā)出超聲波，然后通過聽到環(huán)境返回的超聲波，從而判斷前方是不是有障礙物，或者是不是有獵物。

在201 0年的時候，我的一位師姐發(fā)表了一個研究，她在蝙蝠和齒鯨這兩類生物當中，發(fā)現(xiàn)了同樣的突變。這個突變在這兩類生物中是分別獨立發(fā)生的，所以是基因組層面的趨同演化。非常湊巧的是，這個突變恰好發(fā)生在一個叫Prestin的蛋白上，這個蛋白又正好分布 在我們內(nèi)耳的細胞膜上，那么它可能與這個動物的聽覺，尤其是對超聲波的聽覺有非常密切的關系。

所以，四年之后，我的另外一位師兄又做了一個研究。他用實驗的手段直接證明了我們在基因組當中發(fā)現(xiàn)的這個突變，確實導致了動物聽到頻率更高的聲音，與回聲定位能力是有關系的。

我是做基因組演化計算研究的，我們的工作是通過數(shù)學模型的計算，去檢測之前發(fā)現(xiàn)的這樣一些趨同突變跟動物適應環(huán)境，是不是有決定性的因果關系。比如說，我的師兄師姐所發(fā)現(xiàn)的這個突變，是否真的與蝙蝠和齒鯨為適應昏暗的環(huán)境，發(fā)展出來的回聲定位能力有關系。

在我們的基因組當中，還存在著其他上萬個基因。其他基因是否也發(fā)生了適應性的變化？是否與蝙蝠和齒鯨的回聲定位能力有關？這都是我們可以通過一些算法算出來的。

講到這里，有細心的觀眾可能就會說，你們發(fā)現(xiàn)的這些突變，難道不都受到自然選擇的控制嗎？難道還有突變與環(huán)境適應沒有關系嗎？

的確，如果一個物種它想要去適應環(huán)境，那它肯定要發(fā)生一些變化。這些變化就來源于像我剛才說的基因組中產(chǎn)生的突變。所以我們說，突變是演化的原材料。如果它能夠幫助一個物種適應環(huán)境，那么自然選擇就會把它保留在這個物種的基因組當中。因此，自然選擇是演化的推動力。

那么，除了自然選擇之外，還有沒有其他的因素能夠決定突變在一個物種基因組當中的命運呢？其實是有的，這個效應就是遺傳漂變。遺傳漂變是指演化的隨機性，具體來說，它描述的是遺傳突變或者遺傳信息在演化歷史當中隨機的保留和丟失。

舉個例子來說，大家可能并不會意識到，我們?nèi)祟愂鞘艿竭z傳漂變影響非常大的一個物種。

我們都知道“人類走出非洲”是指原本生活在非洲的一些古人群，其中很少一部分從非洲走出來，擴散到全世界各地的過程。在這個過程當中，原本存在于非洲人群當中很多的、多種多樣的遺傳突變，也只有很少一部分碰巧存在于這些人的身上，被這些人帶到了世界各地擴散開來。

所以今天，如果我們?nèi)タ词澜绺鞯厝巳旱倪z傳多樣性，我們會發(fā)現(xiàn)非洲人群的遺傳多樣性很高，仍然保留多種多樣的遺傳突變。但是我們世界各地的其他人群，雖然長相多種多樣，但是遺傳多樣性是比較低的，我們保留下來的遺傳突變是比較少的。這就是遺傳漂變對于人類這個物種的影響。

所以，相對于自然選擇這樣一個適者生存的過程，遺傳漂變更像是幸者生存。一個突變，哪怕對物種適應環(huán)境沒有任何影響，它也可能僅僅憑借著概率、憑借著幸運在物種的基因組當中保留下來。

現(xiàn)在，我們有了自然選擇和遺傳漂變這樣兩個因素。大家可能會好奇，誰在演化當中會占據(jù)上風，是更主導的作用呢？這個問題的答案，其實在我們研究者當中也有一個演變的歷史。

在20世紀的上半葉，有一些遺傳學家和統(tǒng)計學家繼承了達爾文的選擇理論，發(fā)展出了新達爾文主義。新達爾文主義者認為，好的突變才能保留下來。那么，自然選擇就是演化過程當中的一個主導因素。

▲ 支持新達爾文主義的科學家

但是，在20世紀的下半葉，一些分子演化學家又提出了中性演化學說。大 家認為，大部分保留下來的突變可能是不好也不壞的。也就是說，遺傳漂變在演化當中占據(jù)了主導地位。

▲ 提出中性演化學說的科學家

今天，隨著演化理論的不斷進步，隨著大家更多地去研究演化，我們會發(fā)現(xiàn)自然選擇和遺傳漂變的強度，在不同的物種當中是不一樣的。這與不同物種的群體大小有關系。

比如說在細菌這樣群體非常大的物種當中，不同個體之間的競爭非常激烈，因此自然選擇的作用就很強。而像我們哺乳類，尤其是一些瀕危的動物，像獵豹這樣的一些小群體物種，隨機事件對于種群中產(chǎn)生突變的影響就會變得非常大。總結一下，大的群體自然選擇強，小的群體隨機漂變的影響更大。

若無演化之光映照

已完成：90%//////////

最后，我想給大家介紹一下為什么要去做演化研究。實際上，我們熟悉的很多過程都是演化的過程。

比如說，病毒在人群當中的每一次流行，事實上都是不同病毒株系優(yōu)勝劣汰的演化過程。癌癥的發(fā)展，其實也是癌細胞在我們?nèi)梭w內(nèi)發(fā)生優(yōu)勝劣汰的一個演化過程。甚至于說，我們世界各地不同語言、不同方言的演變也可以用一個演化的模型來描述。所以學習演化，可以幫助我們更好地去理解世界。

我在童年時期，對生物的高度多樣性感到非常吃驚，想要去知道它背后的原理。在大學的學習和研究里面，我也發(fā)現(xiàn)演化理論原來就是試圖去用一套統(tǒng)一的理論，去描述生物界的多樣性如何產(chǎn)生、發(fā)展的。

所以，我非常喜歡演化生物學家杜布贊斯基的一句話：若無演化之光映照，生物學毫無道理。

另外一位生物學家恩斯特·邁爾也提出，演化理論其實就是生物學各種現(xiàn)象的一個終極解釋。

因此，我也希望大家能夠喜歡演化、了解演化、關注演化，用演化更好地理解世界。

“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，致力于非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發(fā)展，由中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心和中國科學院網(wǎng)絡安全與信息化辦公室主辦，中國科普博覽(中國科學院科普云平臺)提供技術支持。本文出品自“格致論道講壇”公眾號(SELFtalks)，轉載請注明公眾號出處，原創(chuàng)文章未經(jīng)授權不得轉載，違者將追究法律責任