演化生物學(xué)激動人心的時(shí)刻

有人認(rèn)為，自生物演化理論提出后，該領(lǐng)域最重大的問題始終沒有改變。這種說法有一定道理，但在過去十年左右的時(shí)間里，人們對于這些基本問題的回答，以及將相關(guān)結(jié)論應(yīng)用至不同領(lǐng)域方面的努力，都已取得巨大進(jìn)展。這些進(jìn)步很大程度上得益于技術(shù)發(fā)展。更先進(jìn)的技術(shù)和新的分析方法使幾乎所有物種的組學(xué)數(shù)據(jù)都可生成。本文圍繞領(lǐng)域內(nèi)一些激動人心的進(jìn)展展開述評。

關(guān)于生物演化，一個(gè)存在已久的問題是個(gè)體如何適應(yīng)環(huán)境。回答這個(gè)復(fù)雜的問題需要了解生態(tài)相關(guān)性狀背后的遺傳和演化機(jī)制。通過將同一物種或相關(guān)物種下多個(gè)個(gè)體的基因組測序數(shù)據(jù)與群體遺傳學(xué)方法的新進(jìn)展相結(jié)合，可以揭示有趣的趨勢。對多種分類群的研究表明，雜交和基因滲入在環(huán)境適應(yīng)中起到重要作用，例如袖蝶翅膀上形成的擬態(tài)圖案或北非狐貍對沙漠生活的適應(yīng)。染色體重排也可以促成生態(tài)相關(guān)性狀，例如向日葵、大西洋鱈魚和鼢鼠的案例。盡管人們已經(jīng)利用基因組學(xué)方法來識別與生態(tài)相關(guān)的表型關(guān)聯(lián)的基因（甚至是突變），例如巖小囊鼠、椒花蛾和猴面花的色素沉著，或是刺魚的骨骼特征，但我們也知道，基因表達(dá)的調(diào)控在促進(jìn)適應(yīng)和分化上也發(fā)揮作用。

長期以來，演化生物學(xué)家一直在宏觀演化的尺度上嘗試?yán)斫猓承┭莼Ρ攘硪恍┭莼Ω鄻踊脑颉Ｗ罱_發(fā)的基于系統(tǒng)基因組學(xué)的比較方法揭示了生物多樣性的長期變化。具體案例包括熱帶四足動物物種的形成、滅絕和擴(kuò)散如何促進(jìn)其物種輻射；生態(tài)形態(tài)多樣化如何影響蜥蜴和蛇的長期多樣性；在脊椎動物的宏觀演化尺度上，形態(tài)演化速率和物種形成速率為何呈正相關(guān)。

幾個(gè)世紀(jì)以來，性別的演化一直令生物學(xué)家著迷。但我們對生物性別的遺傳決定的認(rèn)知，始終局限于少數(shù)模型系統(tǒng)。直到最近，長讀長測序技術(shù)的出現(xiàn)使我們能發(fā)現(xiàn)許多分類群中的性染色體，了解到某些類群的性染色體在數(shù)百萬年內(nèi)保持穩(wěn)定，另一些的性染色體則經(jīng)歷過顯著更替。另一方面，對整個(gè)演化枝中性染色體的比較分析，揭示了重組抑制和性染色體（例如鳥類的W和Z染色體或靈長類動物的Y染色體）特定區(qū)域的演化動力學(xué)。

也許最具挑戰(zhàn)性的問題之一，是演化如何造就復(fù)雜新性狀。對研究特定類群中新性狀起源和演化的科學(xué)家來說，比較分析可以帶來新見解，例如關(guān)于蜜蜂的真社會性和食肉植物的誘捕工具。從扁盤動物到刺胞動物再到兩側(cè)對稱動物，近年來單細(xì)胞測序等技術(shù)的發(fā)展使我們在理解它們神經(jīng)系統(tǒng)的逐步演化方面取得重大進(jìn)展。此外，我們也得以見識新的細(xì)胞類型和組織怎樣助推脊椎動物大腦演化。

演化生物學(xué)最令人興奮的一大應(yīng)用在于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。新冠大流行期間，病毒演變引發(fā)公眾關(guān)注，人們試圖預(yù)測和了解新變體的出現(xiàn)。然而，關(guān)于預(yù)測病毒演化的嘗試早在COVID-19之前就已開展，例如，用于選擇年度流感疫苗菌株的演化模型。疫苗接種會給病毒施加選擇壓力，學(xué)界利用演化模型了解病毒疫苗逃逸和毒力變化之間的復(fù)雜相互作用。從更基本層面看，針對古代和現(xiàn)代DNA序列的群體遺傳學(xué)分析使我們能夠研究細(xì)菌和病毒的演化。

抗生素危機(jī)是另一個(gè)把演化論推入公眾視野的話題。人們普遍認(rèn)為這是一個(gè)演化問題，而演化生物學(xué)可以帶來具體解決方案，如多藥治療方法或利用與病毒共同演化的噬菌體來延阻前者的耐藥性演化。耐藥性也是阻礙癌癥治療的主要原因。一種可能的解決方案是基于演化的適應(yīng)性療法，即通過減少給藥或間歇性給藥來維持腫瘤的敏感細(xì)胞，而非讓耐藥細(xì)胞不受控制地生長。最近一項(xiàng)研究表明，這種方法可能有助于解決腫瘤相關(guān)的藥物依賴現(xiàn)象。演化模型也被用于了解腫瘤生長和發(fā)展的基本動力學(xué)。

在這些案例中，應(yīng)用的演化原理歷史悠久，但實(shí)際分析方法是過去幾年間基于新的分子數(shù)據(jù)而開發(fā)的，這表明了演化生物學(xué)理論與應(yīng)用兩方面進(jìn)展的同步，也讓我們期待該領(lǐng)域進(jìn)一步的發(fā)展。

資料來源 Nature