1944年,当日本侵略军在中国战场进退两难之际,二十岁的木村资生(KimuraMotoo)进了京都大学。为了避免被投入到前景暗淡的战场中去,木村到了细胞学实验室学习遗传学。日本无条件投降以后,木村已获得了理学硕士学位,并开始群体遗传学研究。1953年夏天到美国继续深造遗传学,1956年获博士学位,后回日本国家遗传学研究所从事教学和研究工作。

就在综合进化论大局已定的时候,以1953年DNA双螺旋结构模型为标志,国际生物学研究进入了分子生物学时代,用分子生物学来研究进化论是一种新兴的领域。当很多人以为新的科学将提出新的理论,并威胁到达尔文主义时,出人意料的是,新型的研究方式和研究成果不但没有影响达尔文的理论,相反,却有力地支持了进化论。所有的生物都在使用几乎相同的分子机制构建自己的机体。中心法则表明,生物信息只能从核酸传递给蛋白质,而蛋白质却无法把大量信息传递给核酸。这从根本上否定了拉马克的获得性遗传的可能性,也使综合进化论的核心更加干净简洁。

分子生物学还为进化论研究提供了很多新的工具,其中重要的一条是,可以在分子水平上比较各物种关键蛋白质的氨基酸序列或者重要基因的核苷酸序列,根据序列差异大小来确定物种亲缘关系的远近。这要比寻找古化石证据来判明物种之间的亲缘关系要方便得多,似乎也更准确得多。

很多学者在做这样的工作。当时测定核苷酸序列还不太容易,但用电泳的方法方便地比较同类蛋白质之间的差距已成为可能：把需要研究的蛋白质放在一个合适的跑道上,通电以后让它们一齐向前跑。如果蛋白质完全相同,那么跑出来的速度和方向就是完全一样的;一旦两种蛋白质之间有一些氨基酸序列发生改变,那么就会跑出不同的结果来。距离相隔多大,基本能表明氨基酸序列差距有多大。而氨基酸序列差距越大,表明基因序列差距越大,从而证明两种物种之间的亲缘关系就越远。

用这种方法研究不同物种中执行相同功能的蛋白质,甚至同一生物体内也会含有功能相同但结构不同的蛋白质。这些蛋白质虽然结构不同,但在完成相同工作的时候,工作的效率并没有因为氨基酸序列的不同而受到过太大的影响。一种蛋白质能干好的事情,换了一种稍有不同的蛋白质,照样完成得漂亮。进一步表明控制相同性状的等位基因也有很多面孔,就好比是一个人戴了很多面具,但干的是相同的活。现在的问题是,实验证明,不同的面具太多了,大大高于原先的判断。这意味着什么呢?意味着蛋白质的变异速度要比原先估计的要高得多。变异高得多又说明了什么?说明蛋白质变来变去不是什么大不了的事情!

也就是说,这些变异了的蛋白质都能完成正常的生理功能。同时也就表明,一些基因就算发生了一些突变,也没什么大不了的。

这又是什么意思?

意思是,自然面对如此多的突变,却并没有做出选择!或者,自然即便做出了选择,也只是淘汰那些极度不符合条件的突变体,而对大多数的中性突变体,大自然是无动于衷的。

把这个中性选择学说换一个词说,就是自然不选择。

这下问题大了,既然自然对某些突变不选择,那么,是不是意味着,适应性的变化只不过是进化的一个部分?有学者就提出,适应性的变化并不完全等同于进化,此前的研究太看重适应性的意义了,从而把解释适应性的学说等同于解释整个生物进化的学说。而这似乎是一个误区。

然而木村本人没有这个意思,他本是自然选择进化论的忠实信徒,否定自然选择的念头是他平时想都不会想的,但他的研究结果却让他不得不这么想。

他领导的研究小组通过计算发现,从整个基因组水平来看,碱基发生替换的速率大概是每两年一个;而此前霍尔丹有过一个计算,证明每一次替换突变平均约需300个世代的时间。这两种结果相差太大了,肯定是什么地方出了差错。而木村一向崇拜霍尔丹,深信只要自然选择的力量存在,霍尔丹的计算就不应该有什么大错,可是自己的计算也没问题,那么问题出在哪里呢?

结论只能是,在分子水平上,大自然并没有产生应有的严厉的选择力量,大部分碱基替换产生的突变并没有被自然选择淘汰。这种突变对机体可能很有好处,也可能没有更多的好处,但也没有那么多的害处,它们是中性的。这就是中性突变理论。木村在1968年正式提出了这个进化论上的重要理论。

中性突变理论还认为,在不同物种体内执行相同功能的同一种蛋白在漫长的进化过程中有一个固定的突变速率,这种速率是如此稳定,几乎可以拿来当作衡量生物进化速率的“分子钟”,而这也是中性突变理论的一个证据。因为环境是瞬息万变的,那么由此造成的自然选择的速率也应该是快慢不齐的,可是“分子钟”却给出了一个反证,充分证明自然选择的力量在分子水平不是那么强烈,所以“分子钟”才能我行我素地向前爬动。

日常所用的时钟可以用小时为单位,那么分子钟应该以什么为单位呢?以代为单位还是以年为单位?木村认为,进化的速率与基因突变的速率成正比,而细胞分裂的时候基因才最容易发生突变,因此,分子钟应该以代为单位。凡一代时间比较短的物种,分子钟相应跑得就快些;一代时间比较长的物种,分子钟当然就要慢些了。

木村还有一个更漂亮的证据支持他的理论：很多功能蛋白都是复杂的复合体,内部往往会分为几个区域。这些不同的蛋白区域的重要性也不同,一些活性区域执行着蛋白的主要功能,是蛋白质的核心所在,这些部位的氨基酸序列往往比较保守,轻易不会改变,进化的速度也就比较慢。其他区域算是郊区,进化的反而比较快些。木村认为,越是重要的区域,面临自然选择的压力就越大,进化的速率应该越快才对,就好比是重要的领导岗位,面临很多优秀人才的竞争,干不好就淘汰,所以换人应该也快;而扫大街的岗位是没有多少竞争压力的,所以换人相应就慢。可是现在蛋白质却倒了过来,反而是重要的领导岗位换人慢,扫大街的却换人较快。这说明自然选择没有起作用。这从相反的角度证明中性选择理论是正确的。因为在重要区域,不存在可有可无的中性突变,大多数突变都是破坏性的,严重影响了蛋白质的功能,这样的突变不能得到保存。所以,区域越是重要,中性突变就越少,进化当然也就慢了下来。

1983年,中国中央电视台开始搞春节联欢晚会的时候,木村资生把自己对中性学说的认识进行了一次全面总结,写成一本专著《分子进化的中性学说》。这一理论在世界范围内受到了学习和尊重,也打破了综合进化论一直以来的统治局面,被认为是达尔文自然选择进化论以来最有创造性的进化理论之一,也让木村成为了一位进化生物学方面的重要理论家。尽管这一点还有争议,但木村分别得到了美国科学院院士头衔和日本科学院院士头衔,则是对他的充分肯定。

中性选择学说无疑是往生物学界扔了一颗炸弹,特别是让进化论领域的学者们又吵开了锅。主流的自然选择派人物当然不能容忍否定自然选择的威力,他们针对木村的论证,给以针锋相对的一一反驳,一时间成为论战的焦点之一。

自然选择派指出,自然选择本身可以分为硬性选择和软性选择。硬性的自然选择就像是脾气暴躁的老师,学生是不敢跟他硬踫的,只要与之相抵触,立马会遭到淘汰。有一部分蛋白质的突变就是触犯了硬性的自然选择。而软性的自然选择则相对温柔,就好像是脾气很好的老师,就算学生有一点违反纪律行为也不会被他立即赶出教室。另有一些蛋白质突变面对的就是这种软性选择,所以不会被淘汰。

既然自然选择软硬不定,那么蛋白质进化的速率也就飘忽不定了。因此,不能据此推测说蛋白质的突变速率过高。

另一个问题,也就是木村指出的每两年左右基因组就会有一次突变的情况,自然选择派也提出了不同看法。因为这是木村假设每个基因都单独接受自然选择的压力才出现的结果,而事实上很多基因会联起手来,共同接受大自然的选择,这样一来,分子的实际进化速率就没有木村说得那样有那么高。

关于分子钟,自然选择派也提出了怀疑。根据实验得出的数据,蛋白质的分子钟并不像木村所预言的那样以代为单位,而恰是以绝对时间为单位的。也就是说,无论一个物种的一代时间是长还是短,分子钟跑的速度都是一样的。这一结果与中性选择学说相违背,却符合自然选择的原则。比如,普通小鼠大约每四个月繁殖一代,而大象则需要三十年才繁殖一代。它们都要接受细菌的选择。对于小鼠而言,一代时间内,它身上的细菌可以积累四个月的突变结果,这样就对小鼠作出了一次选择。不能抵抗细菌选择的小鼠将被淘汰。对于大象而言,却需要三十年才作出一次选择。可问题是,三十年后,在大象身上居住过的细菌要比在小鼠身上的细菌多出一百倍突变的可能。因此,细菌对大象的选择强度也要超出小鼠的一百倍。这样一平衡,虽然小鼠和大象一代时间长度不同,但进化的速率却是相同的。这一解释完全与自然选择相一致。

而对于蛋白质不同区域进化速率不同这一说法,自然选择派也有自己的理论,他们认为这完全可以用自然选择来解释而不需要借助于中性选择学说。蛋白质非活性区域的突变并非是毫无意义的,那根本不是什么中性突变,而是趋向最佳结果的一个过程。

木村提出中性选择学说的基础是蛋白质序列,后来随着分子生物学的迅速发展,很多物种基因的DNA序列被测定了出来,这样就可以在DNA水平来进一步验证双方理论的正确性。这场争论的战场就这样悄悄发生了转移。不过这里面发生了一些小小的变化。

首先,如果以DNA为分子钟的话,却是以代为单位的,这与蛋白质为分子钟不同。也就是说,一代时间较长的物种,DNA分子钟就跑得比较慢些。这两种分子钟不是同步的。

DNA序列与蛋白质序列还有一个重要的不同,所有的蛋白质序列基本都是有用的,只不过是对活性的影响大小不同而已。而DNA则不然,里面存在大量不编码蛋白质的序列,内含分子和假基因就是这样一种序列,曾一度被生物界称为垃圾基因。现在已认为这些基因也都有各自的功能,只不过不表现在蛋白质方面罢了。

既然不是所有的DNA序列都会被翻译为蛋白质序列,那么,就算有一些DNA序列发生了突变,也不会影响到正常的蛋白质序列。所以,不编码蛋白质的DNA不妨多突变一些,对生物的生理功能不会有致命的影响。而事实也正是这样的。非编码区的DNA序列有很丰富的多态性,也就是说这个序列也行,那个序列也好,大家都能混得下去。但那些编码蛋白质的DNA序列就不能这样随便乱变了,搞不好把蛋白质序列编错了,就会影响到正常的生理活动。实验表明,编码区的DNA序列是非常保守的,变化不是没有,但很少,而且基本不影响翻译后的蛋白质功能。

这样一来,似乎两种理论都有道理,即在非编码区的DNA序列接受中性选择,而编码区的DNA序列则接受自然选择。

然而,在基因水平上的更多研究也是支持中性选择学说的。基因突变中有一种突变叫同义突变,这就是一种典型的中性突变。这涉及基因的遗传密码属性,基因中的三个碱基可以决定一个氨基酸,这就是所谓遗传密码;但一个氨基酸却并不是只有一个遗传密码,有好几个密码都可以翻译出相同的氨基酸来,比如UUU这个三联密码对应的是苯丙氨酸,但UUC也可以翻译成苯丙氨酸。特别是三个碱基中的最后一位,变化的灵活性相当高,这种突变就叫同义突变,变了也没啥大问题。这是典型的木村所说的不好也不坏的突变。

就算有些基因变化大了点,彻底把某个位点的氨基酸换了一个上来,但是,却有可能这个氨基酸只是起到一种支架的作用,因为蛋白质的氨基酸序列虽然重要,但支架性的四维结构也很重要,不过这些支架对氨基酸没有什么特别的要求,就好比一块砖头,谁都可以在那里垫着。这,也就是前面提到的不重要的区域,这种突变仍然对蛋白质的功能没有明显影响。甚至,现在还有可能在实验室里对这些部位进行有目的的突变,以期能把蛋白质的活性部分更好地呈现出来,从整体上提高蛋白质的功能。大家熟悉的血红蛋白就是这样一种情况,不同物种体内的血红蛋白氨基酸序列是有差别的,但大家都把工作完成得很好,这是中性突变的最好例证。当然,也有变坏了的,比如人的镰刀形红细胞贫血病就是因为血红蛋白上的一个氨基酸的改变造成的。

之所以总拿血红蛋白说事,是因为这是一个重要的考察对象。因为其运输氧气和排出二氧化碳的功能对所有动物来说都相当重要,甚至在细菌和植物体内都有它的身影,是一种不可或缺的蛋白质。人体内的血红蛋白分子是一个设计精妙的结构。每分子血红蛋白由四个亚基组成,分别是两个α亚基和两个β亚基。每个亚基就是一条多肽,每条多肽里面都包裹着一个含铁的血红素,血的颜色就是由血红素决定的。鲤鱼、马和人的血红蛋白α亚基都是由141个氨基酸组成,但氨基酸的种类有很大变化;鲤鱼和马只有75个氨基酸是相同的,其他66个氨基酸已经完全变化了。而人与马之间有123个氨基酸是相同的,只有18个不同。这意味着,人与马的亲缘关系比较近,而马与鲤鱼就相对远些。

重要的是,这些变化了的氨基酸都没有影响血红蛋白的正常功能,所以应该属于中性突变,符合中性选择学说。

但有的位置非常重要,不能随便变化,否则后果很严重。上面提到的镰刀形红细胞贫血病就是因为β亚基的第六位氨基酸上的谷氨酸被缬氨酸所取代造成的,纯合子的红细胞会因这一个氨基酸的变化而变得像把镰刀,结果运输氧气的能力大受影响,患者不到成年就会死亡,这种突变不受自然选择的喜爱。

但也有例外情况,当体内的血红蛋白基因只突变了一条,而对应的另一条基因是正常的,这就叫杂合子。这样形成的红细胞反而具有一个意想不到的好处,可以抵抗疟原虫的侵袭,从而对疟疾有很强的免疫力。这在疟疾横行的非洲丛林反而显得尤其有用,正常的人都被疟疾迫害致死,而血红蛋白发生突变了的个体反而得以活命。这又是自然选择的结果,而不是中性选择了。

也就是说,在分子水平上,明显地存在着自然选择与中性选择并存的情况,而且是中性突变占有绝对的多数,自然选择对此不起作用。但这也不是绝对的,而是一种相当复杂的情况。有时无害的中性突变在特定的情况下,也会遭到自然选择的打击。比如,有一种同功酶,也就是执行相同功能的酶,发生了一个突变,一种酶在33℃时失活,另一种酶则在44℃时失活。当环境温度在33℃以下时,两种酶都可以很好地完成各自的工作,这是典型的中性突变,每一种酶都没有选择优势。所以自然选择是不起作用的。但是,当环境温度发生改变时,达到了33℃以上但仍在44℃以下,适应低温的同功酶将失去作用,自然选择发挥了作用,这时就不再是中性选择了。

很多动物都能自行合成维生素C,而人体不能,这是一次突变造成的。这一突变并没有给人类带来什么危害,因为在日常生活中,人们要食用大量蔬菜和水果,已经得到了足够的维生素C,所以,这一突变是中性突变。但是,在特殊情况下,比如航海远行或者受到严重监禁时,无法补充足量的维生素C,就要得坏血症。那是一种很严重的疾病,处理不好,是有送命的危险的。所以维生素C又有一个名字叫抗坏血酸。

总之,以现有的研究表明,似乎中性选择确实是与自然选择并存的。

1969年,木村刚提出中性选择学说的第二年,立即有两位美国学者对此作出了积极反应,他们发表了一篇“非达尔文进化”的文章。但木村对此表示了不同意见,木村强调,他提出中性选择学说,但并不表明将因此否定自然选择。只是强调分子水平上多数突变是中性的,而并没有说全部突变都是中性的。生物的表型,诸如形态、行为和生态习性等,仍然是在自然选择之下进化的。所以,中性选择学说只是在分子生物学较为发达的新的时期,对达尔文理论的补充和发展。

看来,木村本人并无意推翻达尔文的自然选择进化论。

但事实上的效果却是很严重的,连木村自己对自己说过的话都有点不信了,曾经又说过这样的话：如果分子水平的中性突变是正确的,那么表型水平肯定也有中性的变化。说达尔文自然选择学说是百分之百的正确,也许不切实际吧。木村还举例说：有的人鼻子高,有的鼻子低,这些性状对于生存来说,究竟有多大影响呢,不都是活得好好的吗?类似的例子还有人的指纹,所有人的指纹都不相同,但这种差异无疑也没有任何选择意义,当然也是中性的。木村认为这样的差异,对生存是既不好也不坏的。它们不会带来什么生存优势,也不致影响生活质量。

如此说来,他不但否定了自然选择在分子水平上的威力,对表型水平的作用也是有所怀疑的。用这种眼光来考察表型,可以找出无数种中性性状,所以中性选择甚至大于自然选择。

但用中性选择学说又很难解释表型进化,人与黑猩猩分开只有三百万年左右,可是谁都能看得出来,人和黑猩猩之间看起来有多大的差别。不过,这两者之间的蛋白质约有99.5%是完全相同的,正是那不足1%的蛋白质差异造成了人与黑猩猩的不同。如果分子水平的突变是可有可无的话,那么,这些差别又从何而来?

这事一时之间很难有权威的定论。

目前为止,对中性选择学说有三种类型的评价。其一认为,这确实是对达尔文的进化论提出了挑战,指出了在分子水平上达尔文自然选择理论难以解释的现象,并否定了自然选择对进化的重要作用。中性突变才是进化的主要动力,而自然选择只是起到一种被动的和消极的筛选作用而已。

另一种观点认为,中性选择学说有一定的依据,但并不构成对达尔文的否定,相反,只是对达尔文主义的进一步丰富和补充。

第三种观点则对中性选择学说抱彻底的怀疑态度,因为在基因水平上的所谓中性突变是否为真正的中性,在实验中很难加以确定。极有可能,那些我们看起来是中性的突变,实际上是有其确定的生物学效应的,只不过在现有的实验技术条件下,无法对其加以定量检测罢了。

这其实是华莱士早年表达过的观点：如果我们难以理解某些生物性状的适应性意义,是因为我们的知识还无法认识到这一点。

看来,中性选择与自然选择的关系问题,很长时间内仍将是各说各理的事情。

反对者：你是一个种族主义者,性别歧视主义者,你是一个可耻的家伙!威尔逊：我冤枉……

古尔德：没什么好冤枉的,你就是一个反人民的科学家。

列万廷：其实威尔逊不懂遗传学,我才是真正的遗传学家,他错了。

萨哈林：威尔逊说的都是一些神秘兮兮的废话,却拿出来当成科学。

费伊：社会生物学只是一个空洞的口号,没有任何科学的内容。

威尔逊：难道我真的错了?不会吧,我没错,我对人性的理解是正确的。

达尔文：大概吧……