当查尔斯·达尔文在梳理他的进化论时，他有时会在笔记本里涂鸦。为了解释新物种是如何出现的，他在一页纸上写下字母，然后用分支将它们连接起来。在这个过程中，他创造了一棵简单的树。在页面顶部，他写道：“我思考。”这棵单一的树催生了如今在科学期刊上发表的成千上万棵树。一棵特定的树可能显示人类比大猩猩与黑猩猩的关系更密切。它可能显示人类的SARS病毒是如何从其他动物的病毒演变而来的。当你看到科学论文中的树状图时，很容易将其视为一个未经修饰的事实的插图。然而，科学并非如此运作。一棵树代表了一个假说，它提供了对现有数据的最佳解释。它显示了新物种可能相互分叉、获得新特征，并产生科学家正在研究的物种范围的最可能模式。这些假说并非轻易得出。只有当计算机开始出现在生物学家们的研究桌上时，大规模的系统发育研究才成为可能。你需要那种计算能力，因为即使是简单地比较十几个物种，也有太多替代的树需要测试。假设你有 3 个物种，A、B 和 C。A 和 B 可能关系更密切，或者 A 和 C，或者 B 和 C。三种选择。但当你添加更多物种时，可能性会爆炸式增长到数百万甚至更多。筛选这些可能性需要吉弗洛普（gigaflops）和巧妙的统计学。从生命漫长的统治来看，我们拥有相对较少的信息来弄清其进化树的形状。最早绘制进化树的生物学家只能比较他们通过显微镜或化石骨骼可以看到的特征。如今，大多数进化树都基于基因。一旦科学家能够测序基因，他们就能获得比前几代人更丰富的信息。更重要的是，基因比例如角或花瓣更能清晰地描绘进化过程。毕竟，基因的突变会导致身体发育的遗传变化。虽然身体的变化可能很难区分，但突变可能就像在基因序列中剪掉几个核苷酸一样简单。但基因树也不是未经修饰的事实。有些基因演化得相对较快，所以如果你将它们与那些经过数百万年才分化出来的不同物种进行比较，它可能会提供一个扭曲的它们之间如何关联的图景。另一方面，演化过于缓慢的基因可能无法区分近期爆发（例如我最近写过的非洲慈鲷）的细微差别。在细菌和其他单细胞生物中，考虑到它们可以相互交换基因，而不是仅仅从祖先那里继承基因，这使得情况更加模糊。在某些区域，生命之树更像红树林，分支相互嫁接而不是分裂。构建进化树的一个便利之处在于，你可以对它有多大的信心有所了解。一种方法是随机选择一部分数据来构建新的树。在某些情况下，这种选择可能会产生一个形状不同的树。也许只有一部分会改变。或者树几乎没有变化。通过反复以不同的组合测试证据，可以估计每个分支点真实的几率。基因树为生命的历史提供了很多启示。仅举一个例子，多项研究都强烈支持河马是陆地上与鲸鱼最亲近的亲戚的观点。但这些研究就像是望远镜，用于回溯进化时间，而它们的精确度取决于其设计。研究所有动物的一个基因，与研究另一个基因，可能会给你一个不同的动物进化图景。并非一个基因会指出金鱼草是鱼类最亲近的亲戚，或者将蘑菇和猴子联系起来。但要确定栉水母是否比水母或甲壳类动物、脊椎动物和其他更复杂的动物关系更密切，可能会变得困难。这听起来可能有些晦涩，但实际上并非如此。如果栉水母与我们更近，科学家们就能从中找到关于我们自身进化的一些重要线索。如果它们在更遥远的分支上，那么它们对我们自己的进化故事就不那么重要了。近年来，一些科学家认为，将进化望远镜聚焦得更精确的最佳方法是一次研究一大批基因。幸运的是，在这个基因组学的时代，我们被基因淹没了。科学家们刚刚开始进行一些研究，他们将在各种物种中比较数十个基因。结果令人鼓舞。但直到现在，还没有人系统地研究过多个基因能在多大程度上帮助解决系统发育学中的未解之谜。这一切都是为本周《自然》杂志上的一项引人入胜的研究做铺垫，该研究来自威斯康星大学的肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）及其一些现任和前任学生。他们研究了七种酵母，这些酵母的基因组都在近年内被完全测序。他们在这七种酵母中选取了 106 个基因，选择它们是因为它们明显显示出彼此变异的迹象，都源自一个复制了许多次的共同祖先基因。然后，他们利用每个基因来构建一棵显示酵母之间如何关联的树。许多基因产生了不同的树。这并不奇怪。令人惊讶的是，当他们将所有 106 个基因一起分析时发生了什么。突然，一棵单一的树作为最可能的树出现了。而且无论他们如何测试这棵树，他们在每个节点都发现了 100% 的置信度。正如作者指出的那样，这种确定性是前所未有的，他们认为他们已经确定了这七种酵母的进化历史。当计算机能够处理大量数据时，单个基因之间令人恼火的分歧似乎就消失了。卡罗尔和他的合著者意识到，他们可能在进行过度分析，使用了 106 个基因，因此他们缩小了数据集，以查看需要多少基因才能获得相同结果。他们可以将基因数量减少到 20 个，仍然可以生成相同的树。卡罗尔等人还没有找到确定所有进化树的方法。每组物种都有其自身的特殊性需要考虑。但他们惊人的结果为未来几年系统发育学带来了非常光明的预测。“我思考”的时代可能已经结束了。
广告
