進化論的革新者

楊秀英

科研領域的“全才”

2013年11月，在日本京都市的一間大型音樂廳里，京都獎的第二十九屆頒獎典禮如期舉行，美國科學院院士、賓夕法尼亞大學生物學教授根井正利獲得了其中的基礎科學獎，以表彰他在分子水平上對進化理論的開拓性探索。

京都獎是一項重量級的國際科學大獎，它由日本企業家稻盛和夫創立，由日本企業稻盛集團主辦，每年評選一次，設置三個獎項，分別授予全世界在尖端技術、基礎科學和思想藝術領域做出突出貢獻的三位科學家或藝術家，有“日本諾貝爾獎”之稱。每一位京都獎的獲獎者可以得到5000萬日元的獎金，相當于300萬人民幣。

作為一位美籍日裔獲獎者，根井正利的演講被安排為頒獎典禮的壓軸節目，日本王妃高圓宮久子、企業家稻盛和夫以及眾多日本外交官親臨捧場。在眾人的掌聲中，82歲的根井正利緩緩登臺，他用一面巨大的屏幕播放幻燈片，試圖向熱切而尊貴的觀眾展示開拓性的研究技術以及革命性的進化理論。這時，根井正利卻遇到了一個小小的技術故障——他的幻燈片開始隨機地“前進”或“后退”，完全沒法控制。處理無果后，根井正利有些尷尬地對他的觀眾開玩笑說：“我總是追求理論，而不是實用性”。

其實，在根井正利的整個科研生涯中，他的“理論”和“實用性”做得都不錯。比如，根井正利早期所做的農業研究就很實用，后來他通過統計學從分子水平上分析生物進化的機制，這又涉及到非常高深的數學和計算機理論。1972年，根井正利發明了如今仍在被廣泛使用的“根井標準遺傳距離”計算公式，可以比較不同生物種群關鍵基因的分化程度，從而估算這些種群在多久之前進化出了“分支”。20世紀90年代，他又設計了“分子進化遺傳學分析”軟件（簡稱“MEGA”），這款軟件功能非常發達，是生物科研領域應用最廣泛的計算機程序之一。

可以說，根井正利大部分研究成果都是“理論”和“實用性”的完美結合。從“動腦”和“動手”的角度來說，根井正利算得上是科研領域中的“全才”了。

生物進化的“中性理論”

前面提到，根井正利最初所做的研究是農業科學，那么他后來又為何成為了一名進化生物學家呢？這其實與另一位日本生物學家木村資生有關。

1931年，根井正利出生于日本宮崎縣，22歲時畢業于宮崎大學農學系，1959年，在京都大學獲得農學博士學位。隨后，根井正利來到日本國立放射學研究所任職，研究農作物的育種，頻繁接觸到群體遺傳學的知識。群體遺傳學是一種用數學研究群體中的基因變化動態的科學，美國在這一領域的水平比較高。木村資生恰好從美國留學回來，同時也是精通群體遺傳學的著名學者，根井正利便常常向他請教和探討問題。根井正利結識木村資生不久，后者便創立了一種新的進化理論——“分子進化中性學說”，簡稱“中性理論”。

在20世紀60年代以前，學術界最推崇的進化理論是達爾文的自然選擇學說。在《物種起源》這篇巨著中，達爾文指出，自然界現存的各種各樣的生物，是由其共同祖先經過自然選擇進化而來的，物種在自然選擇下進行生存競爭，導致“適者生存，不適者被淘汰”。在自然選擇下，對生存競爭有利的變異會保存下來，不利的變異被淘汰，長此以往，微小的變異積累為顯著的變異，就形成了新的亞種或新的物種。所以，達爾文及其學說的繼承者認為，自然選擇塑造了生物的性狀。

然而，在木村資生看來，把一切進化現象都歸結為自然選擇是不妥當的，因為生物普遍存在著許多與適應自然無關的性狀，比如人類眼睛的單雙眼皮、鼻子鼻梁的高低、頭發顏色的深淺等等。在一般情況下，很難說自然選擇對這些性狀的存在能產生多大的影響。這或許說明，即使沒有自然選擇，生物也會出現性狀的差異，也能形成進化。為了不和達爾文學說產生太大的沖突，木村資生提出，生物存在兩種進化模式：一種是發生在宏觀表型（基因等生物分子表現出來的整體性狀特征）水平上的進化，它由自然選擇驅動;另外，還存在不受自然選擇影響的進化，這種進化發生在分子（比如基因、蛋白質和核酸）水平上，它對生物個體是否適應自然來說無所謂好壞，是呈中性的——這就是“分子進化中性學說”。

“變異”驅動進化

木村資生的“分子進化中性學說”讓根井正利非常感興趣。于是，他于1969年離開日本，前往美國研究進化生物學。在隨后的幾十年里，根井正利先是在布朗大學任教，后來陸續擔任得克薩斯大學休斯頓分校以及賓夕法尼亞大學的教授，并于1997年當選美國科學院院士。經過長期研究，根井正利成為“分子進化中性學說”的代表人物，同時對于進化生物學做出了許多革新。

比如，為了論證“中性理論”，根井正利利用統計學的知識建立了數學方程，利用計算機模擬生物分子的變異在生物傳代過程中的行為。結果發現，生物分子的變異往往不影響分子（比如蛋白質和核酸）的功能，也就是說它并不引起宏觀表型的改變，也不影響生物個體適應環境的能力。所以，生物分子水平上的變異無利亦無害，呈中性，自然選擇對其無能為力。

但是，這些隨機的、不受自然選擇影響的中性變異會在生物傳代過程中通過遺傳被固定下來，或者消失。至于哪一種變異能夠保存下來，哪一種變異趨于消失，同樣也全靠機遇。根井正利將這種中性變異的隨機的變動稱為“遺傳漂變”。由于生物身體的每一部分都是由分子控制的，而分子的進化是通過中性變異的“遺傳漂變”實現的，自然選擇并不起作用，所以，根井正利提出一種新的觀點：生物進化的驅動力是變異，而非自然選擇。

又比如，構建“進化樹”是理解生物進化史的重要方法，為此，根井正利發明了一種計算機算法，可以通過比較不同物種之間關鍵基因的差異來快速構建進化樹，相關的論文如今已經被引用了超過3.4萬次。另外，“根井標準遺傳距離”計算公式以及“分子進化遺傳學分析”軟件都是根井正利發明的新型研究方法，在進化生物學領域得到了廣泛應用。

獲得京都獎后，根井正利被問及自己成功的秘訣。他提到，獨立思考，勇于質疑教條和拋棄先入為主的觀念，這才是最重要的科學素養。正是由于不迷信達爾文，他才在進化生物學的研究道路上越走越遠，最終獲得成功。