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分子进化和中性学说

1968年日本人木村资生(M．Kimura)，根据分子生物学的研究，主要是根据核酸、蛋白质中的核苷酸及氨基酸的置换速率，以及这些置换所造成的核酸及蛋白质分子的改变并不影响生物大分子的功能等事实，提出了分子进化中性学说(Neutral Theory of Molecular Evolution)。

1969年美国人J．L．King和T．H．Jukes用大量的分子生物学资料进一步充实了这一学说。

简单说来，这一学说认为多数或绝大多数突变都是中性的，即无所谓有利或不利，因此对于这些中性突变不会发生自然选择与适者生存的情况。生物的进化主要是中性突变在自然群体中进行随机的“遗传漂变”的结果，而与选择无关。这是中性学说和达尔文进化论的不同之处。

1．中性突变

中性突变是指这种突变对生物体的生存既没有好处，也没有害处，也就是说，对生物的生殖力和生活力，即适合度没有影响，因而自然选择对它们不起作用。

(1)同义突变(synonymous mutation)  同义突变是一种中性突变，我们知道遗传密码是简并性的，即决定一个氨基酸的密码子大多不止一个，三联体密码子中第三个核苷酸的置换，往往不会改变氨基酸的组成。例如，UUU及UUC都是苯丙氨酸的密码子，它们最后一个核苷酸C和U可以互相置换而不影响氨基酸的性质，即氨基酸不变，因此UUU和UUC可以认为是同义词。又如CCC是脯氨酸的密码，CCC中最后一个C如果为其他3种核苷酸的任何一种所取代，形成CCU、CCA或CCG，这3个密码也仍然是脯氨酸的密码。所以，虽然发生了突变，但新的密码和原来的密码是同义词，这种突变即是同义突变。

(2)非功能性突变  DNA分子中有些不转录的序列，如内含子(intron)与重复序列等。这些序列对合成的蛋白质中的氨基酸没有影响。因此，这些序列中如发生突变，对生物体也无影响。这也是一种中性突变。

(3)不改变功能的突变  结构基因的一些突变，虽然改变了由它编码的蛋白质分子的氨基酸组成，但不改变蛋白质原来的功能。例如，不同生物的细胞色素C的氨基酸组成是有一些置换的，但它们的生理功能却是相同的。血红蛋白也是这样，虽然有些氨基酸置换可以产生不良的后果，如人的镰状细胞血红蛋白，但是也有很多突变对生物体血红蛋白的生理功能并无影响。这样的突变显然也是中性突变。

根据中性学说，同义突变的频率是很高的，加上非功能性的突变和不改变功能的突变，可以说，绝大多数突变都是中性突变。

2．遗传漂变是分子进化的基本动力

大的种群如果发生了隔离与迁移而形成小种群时，遗传漂变就可能发生。综合进化论认为遗传漂变对生物进化是有作用的，但是比起选择来，它的作用要小得多。

中性学说则认为，中性突变不引起生物表型的改变，对于生物的生殖力和生活力没有影响，因而自然选择对中性突变不可能起作用，真正起作用的是随机的遗传漂变。遗传漂变不只限于小种群，任何一个种群都能发生遗传漂变，遗传漂变是分子进化的基本动力。换言之，中性学说认为，突变大多在种群中随机地被固定或消失，而不是通过选择才被保留或淘汰的。

3．分子进化速率

中性学说认为，分子进化速率取决于蛋白质或核酸等大分子中的氨基酸或核苷酸在一定时间内的替换率。生物大分子进化的特点之一是，每一种大分子在不同生物中的进化速度都是一样的。以血红蛋白的α链为例，鲤、马和人的α链都是由141个氨基酸所构成，其中鲤和马有66个氨基酸不同，马和人有18个氨基酸不同。

中性突变无疑是存在的。达尔文也提到过中性突变，并且也曾指出，无利也无害的变异不受自然选择的作用。综合进化论的主要代表T．Dobzhansky也认为中性突变是存在的。他们的时代是分子生物学还没有发展的时代。木村等人则是在分子生物学的大发展的基础上提出了中性突变的进化学说的。但是绝对的中性突变在全部突变中占有多大比例，这是一个很复杂的问题，有些突变无疑是真正的或严格的中性突变，这种突变在任何情况下都不影响生物的生存。有些突变对生物有一些影响，但影响很小，因而自然选择仍旧起不了什么作用，起作用的仍旧是机会，基因的保留或丢失完全是随机的。如果一个性状的选择压只有0.000 001，这个性状的选择优势就完全可以为机会所抵消，或者说虽然它在适应上有很少一点优势，但是这样小的优势不足以保证它的保留。偶然的机会仍可使它消失。还有一种情况，即有些中性突变在条件改变后不再是中性的，而变为有利或有害的。例如，某种酶的2个同功酶，一个在33 ℃时失活，一个44 ℃时失活。它们的生化功能相同。当一个群体生活在33 ℃以下时，2个同功酶是完全相同的，因此任何一种同功酶都没有选择优势。但是假如温度到了33 ℃以上、44 ℃以下时，前一种同功酶就会失活，因而它在选择上是不利的。所以在33 ℃以下时，2个同功酶的基因突变是中性突变，但是在33 ℃以上时，选择就起作用了。又如人体不能合成维生素C，但是在陆地上人们可依靠蔬菜、水果而取得所需的维生素C，因而可以认为不能合成维生素C这一性状是中性突变。但长期远洋航行时，蔬菜、水果供应不足，人们就要患坏血症了。此时不能合成维生素C又不像是中性突变了。所以，环境条件合适时，一些有害突变可以表现为中性突变。但一旦条件改变，被认为是中性的突变就要有所表现了。

人的血红蛋白分子β链上大多数氨基酸如果发生替换，都不影响血红蛋白的功能。可见决定这些氨基酸结构基因的突变都是中性突变，都不受选择，都可经遗传漂变随机地被保留下来。但是如果β链上的第六位氨基酸，即谷氨酸为缬氨酸所置换，血液中就将出现不能运氧的镰刀形红细胞。如果是纯合子，所有红细胞都将变成镰刀形，患者不到成年就要死亡。可见这种突变是在自然选择的压力下被淘汰的。但是在疟疾流行地区，带有这一突变基因(杂合子)的人很多，频率也很稳定，这是因为杂合子对疟疾有较强的抵抗力，因而比不带这一突变基因更能适应疟疾之故。对于这一基因突变的保留显然用自然选择来解释最为合理，用遗传漂变就很难解释了。

中性学说的倡导者木村强调遗传漂变的作用，但他也没有否认选择的作用，他承认形态、行为和生态性状，即生物的表现型是在自然选择下进化的。所以，我们可以认为，中性学说与其说是反达尔文主义的，不如说是在现代生物科学发展的水平上，对达尔文主义的补充和发展。