互动科普

达尔文肯定想不到，当年他对甲虫和小鸟的研究会带来如此巨大的技术进步。随着我们对进化历史的日渐了解以及对进化原理掌握的不断深入，进化论的巨大应用价值应运而生，这些应用今天已经成为众多领域的支柱。

执法机关就普遍使用进化分析技术来调查案件，这样的案例随着美国电视剧《犯罪现场调查》（CSI）的热播已经深入人心。只有了解不同基因如何进化，人们才知道从DNA证据中能提取何种信息。

在医疗保健领域，对禽流感（bird flu）、西尼罗河病毒（West Nile virus）之类的病原体（pathogen）进行系统进化分析（phylogenetic analysis，即通过研究DNA序列探究它们的进化关联或谱系），不仅可以帮助人们开发疫苗，而且可以指导人们如何抑制疾病在人群中的传播。一项名为“定向进化”（directed evolution）的实验技术可以加速蛋白的进化，优化疫苗和其他有用蛋白。

类似的例子还有很多。计算机科学家借鉴进化的概念和原理，创造出“遗传编程”（genetic programming）这个通用系统，能够解决复杂的优化和设计问题。新近发展起来的“宏基因组学”（metagenomics）研究方法，彻底革新了科学家普查某一地区微生物种类的能力——自显微镜诞生以来，还没有哪项发明能够像这样，使我们对微生物多样性的理解发生如此翻天覆地的变化。

400多年前，英国哲学家和政治学家培根说：“知识就是力量。”而今，对进化日益加深的理解孕育出了极其实用的技术，成为这句名言的绝佳写照。

进化洗冤录

进化分析和罪案调查有一个共同目标，那就是还原历史事件的真相。一旦有了成熟的DNA大规模测序技术、完善的定量研究方法，再加上科学和法律系统的开明整合，进化分析与罪案调查就会结合在一起，结出丰硕的果实。

在进化的诸多应用中，分子时钟（molecular clock）这个概念占有非比寻常的地位。许多DNA序列随时间改变的速率大致可以预测，这就构成了分子时钟的理论基础（参见下页插图）。然而，DNA位置不同，各自时钟的运转速度也可能不同。20世纪80年代初，遗传学家发现人类DNA的某些区域进化非常迅速，这些区域很快就被用作遗传标记，在罪案调查和亲子鉴定方面派上了用场。这些标记在每个人身上都独一无二，犹如指纹一般，却能提供更多的细节。

法证调查人员使用特殊的遗传标记，确定犯罪嫌疑人与犯罪现场的物证之间是否存在联系。所谓的物证可以是一根头发、留在啤酒罐上的少许嘴唇细胞、信封和烟头上的一点唾液，甚至可以是精液、血液、尿液和粪便等。如果一个嫌疑人的标记与犯罪现场留下的证据不符，就可以洗脱他的嫌疑——这是该技术最直接的应用。美国公共政策机构“昭雪计划”（Innocence Project）积极宣扬利用遗传标记进行冤案平反，并对类似案例进行追踪。据该机构报告，1989年以来，“遗传标记不符”已使至少220人沉冤得雪，其中许多人被判强奸罪，有些甚至被判处死刑。

1925年，田纳西州高中教师约翰·T·斯科普斯（John T. Scopes）因为在学校传授进化论而被判有罪，当时的美国法院将进化论视为洪水猛兽。如今，进化论在美国法院体系中的地位已经完全改观。1998年，美国路易斯安那州起诉理查德·J·施密特（Richard J. Schmidt）的刑事案件中，法官开创了系统进化分析在判决中被法律标准承认的先河，理由是这些证据经受了实验检验，发表在经过同行审阅的杂志上，并且被科学界所承认——这些正是检验科学证据时应该遵守的“多伯特标准”（Daubert standard），该标准是以更早之前一个开创判例标准的案件中原告的名字命名的。

受到美国贝勒医学院迈克尔·L·梅茨克（Michael L. Metzker）和得克萨斯大学奥斯汀分校戴维·M·希利斯（David M. Hillis）的邀请，我有幸作为科研人员及专家证人参与了路易斯安那州起诉施密特的案件。我们三人合作完成了相关的分子生物学分析。

这起案件中不争的事实是，一位胃肠科医生闯入从前在他诊所工作的一位护士兼情人的房间，给她打了一针。这位医生声称那只是一针维生素B，但受害人说那是一针HIV病毒。几个月后护士开始生病，血液检测表明她已被HIV感染。于是，受害人到地区检察官办公室提出指控。办公室的侦办人员很快申请到了搜查令，对这位医生的办公室展开调查，结果找到了他的记事本，还在冰箱里发现了一管血液。然而医生辩称，这管血液取自他的一名HIV阳性病人，是供他自己研究使用的血样。

调查的下一步，自然是对护士感染的HIV谱系和嫌疑血样中的HIV谱系进行系统进化分析。我和合作者选择了两个HIV基因进行测序，其中一个进化速度相对较快，编码了部分病毒衣壳，另一个进化较慢，编码了病毒的逆转录酶（reverse transcriptase，缩写为RT）。我们还从另外30名感染者体内抽取了血液样品作为参照。

对病毒衣壳基因的分析显示，相对于参照样品，受害者和医生样品的HIV序列构成一对姐妹分支。任意两个HIV感染者携带如此高相似性病毒的概率几乎为零。这个结果与护士的指控一致，即医生将来自病人的血液注射给了护士，但是也存在另一种可能，即病人是从护士那里感染了HIV病毒。从进化较慢的逆转录酶基因序列得到的系统进化分析结果显示，受害人体内的病毒相对比较年轻，是从嫌疑血样病毒的一个分支演化而来的。这一结果明确表明，正是嫌疑血样中的病毒感染了这名护士。

法官最后判定医生谋杀未遂罪名成立，判处有期徒刑50年。当然，我们无法了解我们提供的进化证据和其他证据（比如医生的记事本和行为举止），在陪审团最后作决定时分别起到了多大作用。但是我们确实知道，2002年美国最高法院驳回了施密特案的上诉，因此系统进化分析将继续在美国法院的判案过程中占有一席之地。

与微生物军备竞赛

就像人类永远无法摆脱犯罪一样，传染病也将永远与人类为伍。在智人的整个历史中，寄生性病毒、细菌、真菌和动物一直随人类共同进化，促使我们体内进化出一个拥有完美适应能力的免疫系统。人类种群为微生物病原体提供了前所未有的广阔生存基地，哪怕我们围追堵截其中一些危害分子，甚至灭绝少数病原体，其他病原体仍会进化，最终成功侵入人体并四处扩散。我们置身于这场军备竞赛中时日已久。

DNA系统进化分析是目前确定未知病原菌及其基因的最佳方式，这种方法可以确定病原菌的谱系，从而了解它们的进化历史。与亲缘关系较远的物种相比，亲缘关系相近的物种更可能拥有相同的可遗传生活史特征，因此了解病原菌的谱系，我们就能对它们的复制、传播方式及其最喜欢的生存环境提出有价值的假说。利用这些关键信息，我们便可以提出合理的行动建议，尽量减少病原菌的传播机会，甚至可能提高针对它们的免疫力。

要弄清楚进化机制，我们必须明确突变产生的原因，了解自然选择和偶然事件对某一项可遗传变异的起源和维持分别起到何种作用。我们可以在不同基因型（genotype）和表型（形态）特征之间，甚至在毒性、传染性、宿主专一性及生殖速率等不同的生物史特征之间，追踪这些可遗传变异。比如亲缘关系较远的细菌之间通过“水平基因转移”（horizontal transfer）来交换抗药性基因，对该过程的不断了解已经指引生物学家寻找新的抗体，来阻止这些可移动基因的复制和转移。

历史上人类流感病毒导致的致命悲剧，以及我们对禽流感病毒进化规律的日益了解，正好生动地说明了一些问题。科学家对来自多种宿主的禽流感病毒基因进行了广泛的系统进化分析，结果表明野生鸟类是这种病毒的主要来源，但家猪往往是（但并不总是）鸟类和人类之间的中间宿主。因此，卫生官员现在建议某些特定地区的人，要将家禽和猪分开饲养在封闭的设施中，以避免它们同野生鸟类接触。他们还建议对H5N1 A株高致病性禽流感毒株实施监测，同时还要监控由系统进化分析检测到的其他一些毒株——它们不仅存在于家禽体内，还出现在水鸟和滨鸟等特定野生鸟类的身上。

系统进化学还显示，流感病毒A株的基因组拥有8段特殊的基因片断，可以在来自不同宿主的毒株之间相互混杂并组合。这种被称为“漂变”（shift）的特殊基因重组方式，再加上DNA序列突变，赋予了这些病毒变化无穷的嘴脸，让它们得以从我们好不容易才发展起来的免疫机制下逃脱，迫使我们不断去开发新的疫苗。了解特定DNA片断和已知致病性突变的系统进化史，再对采自不同地区的样品进行分析，我们就能预测流感的扩散传播，锁定疫苗开发的候选靶标。

1997年，科学家险些没能控制住H5N1在香港的肆虐，最后只能说服当局下令屠宰本地所有的家禽，来扑灭病毒源头。未来禽流感在全球暴发，已不再是会不会、而是何时发生的问题，但是对禽流感病毒进化源头、不同基因组之间杂交，以及病毒转换宿主能力的理解，仍将帮助我们尽可能地将风险降到最低。

进化医学

进化还通过另外一种方式影响我们的健康，或许可以称之为我们身体的“愚蠢设计特征”，这些都是我们从进化早期继承下来的特征 （参见本期第42页《打嗝  来自两栖类祖先的进化缺陷》 一文）。比如说，与其他哺乳动物相比，人类婴儿在出生过程中会冒更大的风险，因为人类女性骨盆大小的进化没能跟上胚胎大脑尺寸进化的步调。然而，一些看似愚蠢的“设计特征”实际上可能是有用的。发烧、腹泻以及呕吐就是很好的例子，它们能帮助人体排除微生物感染。

从进化的角度来理解我们对疾病的易感性，用进化的观点来增进我们的健康，这类方法被称为进化医学（evolutionary medicine）或达尔文医学（Darwinian medicine）。这项新的尝试中至关重要的一步，就是把进化学基础结合到医学院和公共卫生学学生的课程之中。

人类基因型和一些特殊疾病之间的联系使个性化医疗成为可能，医生可以根据某些特定的遗传学特征，给病人量体裁衣式地指定用药并控制用量。这种医疗方式尚处在雏形阶段，赫赛汀（Herceptin）的应用就是一个例子。这种药物在25%的乳腺癌患者身上疗效显著，可以抑制乳腺癌的早期发展，但是偶尔会导致心脏病。医生可以参考病人的基因型，推测病人对赫赛汀产生良性反应的可能性，判断是否值得让病人冒着患心脏病的危险服用这种药物（参见《环球科学》2008年第7期《根治乳腺癌》一文）。

然而，许多人不希望医生对自己进行遗传分析，他们害怕雇主或保险公司得知这些信息之后，会以不公正的态度对待自己。作为回应，美国国会于2008年5月通过了《反基因歧视法》（Genetic Information Nondiscrimination Act），明确规定这种歧视违法。另一个顾虑是，种族可能变成“易患某些疾病的遗传学特征”的代名词。不过这种观点误解了人类遗传差异的本质，实际上，即使亲缘关系非常接近的人也可能对药物有不同的反应。（有关这一话题的更详细内容，参见《环球科学》2007年第9期《惊天骗局：因肤色用药》一文。）

模仿进化

地球上几十亿年的勃勃生机充分展示了进化的无所不能，偶尔还显现出一点异想天开。现在，研究人员从进化中借鉴经验，利用定向进化来增强蛋白的有用功能。这些分子生物学家刻意诱导基因发生突变，然后用突变后的基因产生蛋白，测量这些蛋白的功能，从中选取表现最好的基因进行新一轮的突变和检测。把这一循环重复上百万次，往往可以产生振奋人心的结果。

对进化历史和进化机制的理解，能够从几个方面进一步完善定向进化。首先，找出基因的亲缘关系是确定它们功能的重要步骤，然后才能有针对性地筛选出候选基因进行定向进化。我们先要评估一个基因的功能，然后才对它展开实验，基因的亲缘关系正是我们进行评估的最佳指标。比方说，我们在小鼠体内通过实验确定了一个基因的功能，那么合理的推测就是，人体内与它最接近的基因很可能行使着相似的功能。

其次，了解特定基因如何进化，也就是弄清楚突变的机制以及自然选择如何作用于这些突变，可以帮助我们在定向进化实验中选择诱导产生突变的方法。一个蛋白就是一串氨基酸链，蛋白的功能就由这些氨基酸的序列决定。定向进化学家可以改变蛋白上的某个氨基酸，具体位置可以从整条氨基酸链上随机抽取，也可以在某些特定区域内随机选择，甚至可以选定已知的、对蛋白功能很重要的某个特定位点。编码蛋白的基因在结构上由一段段独立片断组成，我们可以调换它们的顺序，创造出具有新功能的蛋白。我们还可以在一个由系统进化方法确定的基因家族中，或者从姐妹物种中，抽取相关基因的结构片段，混合成所谓的“嵌合蛋白”（chimeric protein）。在自然界中，基因片段的重组和重排使蛋白快速进化；如今这一过程在实验室中重现，正在向我们显示它的巨大威力。研究人员甚至可以让整个基因组在选定的微生物之间大搬家，从而进一步加速进化改变。

人乳头瘤病毒（human papillomavirus）疫苗的开发和丙型肝炎疫苗的优化，是定向进化众多成功案例中比较典型的两个。在对20多种人干扰素（human interferons，一个免疫系统蛋白家族）中的基因片段进行重排之后，一种超强嵌合蛋白已经问世，它减慢病毒复制的能力比原有人干扰素强25万倍。经过改良的人类肿瘤抑制蛋白，在实验室研究中已经显示出比原始蛋白更强的肿瘤生长抑制功能，研究人员目前正致力于将这种蛋白转移到p53蛋白功能缺损的个体体内。

科学家和工程师在实验室中模仿进化过程的另一种方法，则是利用一种名为“进化算法”（evolutionary algorithm）或“遗传算法”（genetic algorithm）的计算机软件。此项技术已经被广泛地用于寻找复杂问题的最优解答，包括制定空中飞行表、预报天气、平衡股票投资组合、优化药物组合等，还被应用于桥梁、电路和机器人控制系统的设计。

一个“进化算法”通常包含五个步骤：

1. 建立一个候选策略库。

2. 评估每个候选策略适当与否。

3. 如果任何一个候选策略符合全部目标，程序即告停止。

4. 否则，选取一组相对适当的策略，作为新策略的“父本”。

5. 使父本发生突变，或者让它们的性状进行“有性”重组，创造出一组新的候选策略。再从第2步开始循环。

有时候，遗传编程找到的解决方案会与人类典型的设计方案大相径庭。比如，用一个进化算法来规划通讯卫星的轨道，以便尽量减小地面接收器的信号损失。这个算法得出的轨道布局极不对称，每颗卫星运行轨迹之间的间隔都不相同。与人类设计师常常采用的对称布局相比，这种“进化”而来的优化布局表现更优秀。

保护生态

随着人口数量的持续增长以及由此导致的环境急剧变化，越来越多的人开始关注保护生物多样性和人口增长的可持续性。生态系统由生物及其周边环境组成，它的健康关乎人类生存，因为生态系统为我们提供了可以利用的水、适于耕种的土地，以及洁净的空气。这些至关重要的生态系统服务是人类福祉的根基，然而我们对生态系统的运作以及生态变化带来的后果知之甚少。特定的物种和种群在生态系统中起到什么作用？这些自然系统对物种及栖息地的丧失有多敏感？生态系统变化又如何影响当地气候、植物的传粉、种子的散播、废物的降解，以及疾病的出现和蔓延？这些难题都要依靠进化的方法和知识才能解答。

全面普查生态系统，对于理解和管理自然资源至关重要。但是大量生命形式仍然不为人知或者知之甚少，特别是那些个头十分微小的生物，包括数目庞大到难以尽数的病毒、细菌和原生生物（protist）。要确定所有生命形式之间的谱系关系，就必须对多种多样的生物进行全面的遗传学采样，其中既包括同一物种，也包括不同的物种。利用对这些样品的系统进化分析得到的信息，生物学家可以评估生物种群的相对独特性，详细描述出需要保护的进化单元（比如某一特定物种或者物种的某一特定种群）。

许多系统进化分析研究已经揭露出许多从前未知的物种。从非洲象群中得到的DNA证实，非洲大象确实有两个完全不同的物种，并非我们原先所认为的一个。普通非洲象（Loxodonta africana）主要生活在稀树大草原，而另一个新近得名的森林非洲象（L. cyclotis）却生活在丛林地区。DNA分析还在亚洲鳖（Asian soft-shelled turtle）、露脊鲸（right whale）、旧世界秃鹰（Old World Vulture）及其他生物种群中发现了新的物种。

脊椎动物独特遗传标记技术的发展，可以用来确认被走私和贩卖的保护动物及其身体部件，在生物保护法的执法过程中起到了越来越大的作用。这种方法已被应用到对非法捕鲸、亚洲药用虎制品、用受保护鲟鱼制作鱼子酱等案件的起诉审理当中。

宏基因组学

一个生物体的全部DNA构成了一个基因组。与此类似，如果收集一个地区各种不同微生物构成的整个群落的DNA，就获得了一个宏基因组（metagenome）。现在，生物学家可以从这样一个群落中分离DNA片段，测定片段的序列，将它们重新拼合恢复成原本的顺序——所有过程都无须在实验室中进行步骤繁琐并且艰难的细菌培养。

人体肠道微生物宏基因组分析揭示出来的基因数量，已经超过我们自身基因组中基因数量的100倍（后者包含2.5万个蛋白编码基因），同时发现了大约300种前所未知的微生物物种，而且至今仍无法在实验室中培养。已知的微生物及其基因在许多方面都起到重要作用，比如：促进人类免疫系统的发展；帮助产生脂肪酸，从而驱动肠道细胞的健康生长；去除我们吞下的有害物质的毒性，否则这些物质就可能引发细胞癌变，或者让我们无法消化吸收药物。宏基因组分析暗示，已知和未知微生物的存在与否、存在多少以及它们之间的相互作用，都会影响肠炎等人类疾病和肥胖等人体状况。

对女性生殖道进行的类似宏基因组分析显示，由早产和分娩引起的细菌性阴道炎（bacterial vaginosis）、盆腔炎，以及包括HIV在内的性传播病原感染，都伴随着阴道菌群的巨大改变。科研人员在健康和非健康阴道生态系统中都发现了新的菌种。只有更好地理解阴道生态系统为何变化，弄清楚这些改变如何影响生态系统功能和疾病扩散，我们才能找到治疗细菌性阴道炎的更好办法。

再来看看外部生态系统的可持续性。对太平洋和亚特兰大北部马尾藻海的水样所作的宏基因组分析表明，海洋生物多样性的规模之大，远远超出科学家的预期，仍有大量海洋生物等待我们去发现和认识，其中也包括许多未知病毒。对于如此多样化的微生物种群的代谢能力及生态作用，我们仅仅窥视到了冰山一角，还有无数研究尚须进行。我们需要了解这些微生物群落，因为对于维持地球上的生命来说，它们责任重大。这些微生物承担着地球上绝大部分光合作用，还将碳、氮、氧、硫等生命必需的化学元素，转化成了包括人类在内的其他生命形式能够利用的形式。

利用建立在进化基础上的宏基因组分析，我们可以了解各种环境中生物群落的构成，但这仅仅是第一步，我们还要了解群落中各个成员所扮演的角色、不同成员之间的相互作用，以及它们经年日久如何变化、如何维持。多样的微生物群落是否比相对单一的群落更能应对环境变化？某些特殊的生物种群是否对生态系统的维持至关重要？究竟是什么促成了微生物群落的形成和覆亡？解答这些问题所需的概念和方法，大都蕴藏于进化生态学（evolutionary ecology）领域之中，该领域将仔细研究物种、种群及其环境内外的所有相互作用。

微生物宏基因组学和进化生态学的应用仍有待时日，但前景乐观。能够产生和消耗二氧化碳、甲烷及其他温室气体的微生物，可能是我们遏制全球变暖成败的关键。建立在宏基因组学基础之上的科研体系，或许可以用来监测环境健康，检测自然产生或恐怖分子散播的病原体。宏基因组学还能诊断多种人类和家畜疾病，可以利用人为引入益生菌的方法（即益生菌疗法，probiotic therapy）加以治疗。研发新抗体，寻找从纤维素里提取葡萄糖的酶（葡萄糖进而发酵生成乙醇燃料），用生物整治法（bioremediation）对受到污染的土地和水源进行清污等，都可以从最新发现的微生物中获得灵感。

我们所有的知识几乎都不同程度地起源于对大自然的观察和探寻。大自然是一位老师，却并不主动施教，也不为我们提供指导。然而，自然界的各个系统却用它们精彩绝伦和近乎奇幻的美妙，勾起我们纯真的好奇心，让我们竭尽全力探究其中的奥秘。进化是理解地球上所有生物的统一原理，学习生物变化的历史和机制，并灵活运用这些知识，必然能够促进人类福祉。曾经的好奇心，如今已经变成了强大有力的工具。