-- 引载自Chris同学的读书笔记，3Q！

（二）分子演化中性主义的兴起

上个世纪六十年代初，一些有趣的研究结果开始引起了群体遗传学家们的注意。首先，物种间的氨基酸替代数与两物种的分歧时间大致形成一定比例的对应关系（Margoliash 1963; Doolittle and Blomback 1964），这与之前Zuckerkandl和Pauling提出的“分子钟”（Molecular clock; Zuckerkandl and Pauling 1962）假说不谋而合；第二，在非重要蛋白质中氨基酸替换速率要高于重要蛋白质中的氨基酸替换速率（Margoliash and Smith 1965; Zuckerkandl and Pauling 1965），这一观察结果与选择主义者提出的“功能上越重要的蛋白进化越快”的观点恰好相反（Hughes 2007a）；第三，对种间的基因组GC含量的调查发现，很大一部分的变异是来自于AT↔CG之间的互换，这与自然选择并无必然的联系（Freese 1962; Sueoka 1962）；第四，1966年，Lewontin和Hubby首次将蛋白质凝胶电泳技术运用于群体遗传学研究，并发现在果蝇中存在大量的多态性等位基因位点，并且平均每一位点约有15%的几率是杂合子（Lewontin and Hubby 1966）；Harris（1966）几乎同时期也在人类中发现了类似的现象。事实上，当时在关于遗传变异的维持动力的争议上分为两大阵营（Nei 2005）：一方是以Motoo Kimura等人为代表的支持经典的Morgan突变选择平衡理论，即群体内遗传变异是由突变选择平衡来维持；另一阵营是以Dobzhansky等人为代表，认为群体内遗传变异主要是由“超显性选择”（overdominant selection）或者某种类型的平衡选择来维持的。Kimura和Crow（Kimura and Crow 1964）承认“超显性选择”比“突变选择”能够维持更多的遗传变异，但是“超显性选择”的存在需要大量的遗传负荷（genetic load），例如过度繁殖力（fertility excess），而当所研究的基因位点很多时这些遗传负荷不是哺乳动物生存所能承受的。Lewontin和Hubby（Lewontin and Hubby 1966）在文章中也试图去讨论了维持这种高水平变异的驱动力究竟是来自于平衡选择或是中性突变；虽然他们没有说服自己去提出中性演化的主张，但是这是第一次在群体水平的变异上发现中性格局。尽管如此，以Dobzhansky为首的阵营依然无法接受这些建议而是坚持认为几乎所有的遗传多态性都是由平衡选择来维持的（Dobzhansky 1970; Clarke 1971）。

鉴于以上的研究结果，Kimura敏锐地觉察到分子水平上存在着许多让选择主义者无法解释的新现象，于是在1968年正式提出了分子演化的中性学说（Kimura 1968）[注1]。Kimura在对哺乳动物基因组中的血红蛋白等一些蛋白质序列（除去不引起氨基酸变异的同义位点后共约3.3 × 10⁹个碱基）进行统计分析后发现，哺乳动物基因组中能引起氨基酸改变的碱基替换速率约为每两年一个替换。这一速率远远高于新达尔文主义学派Haldane（1957）的自然选择状态下哺乳动物基因组最多每一千二百年（或者每三百代，假设平均每四年为一代）发生一次替换的上限速率。如果我们接受Haldane的估算，那么Kimura所得的远远高于自然选择状态下的能引起氨基酸改变的碱基替换速率（每两年一个替换），将肯定不仅仅是由于自然选择造成的；倘若假设这其中的大多数替换是中性或近中性，并为随机漂变所固定的话，那么任何所观察到的替换率都是有可能的（前提是替换率应低于突变率）。基于这个假设，Kimura（1968）正式提出分子中性演化的观点，即绝大多数的核苷酸替换一定是中性或近中性的。

然而，Kimura的观点立即招致新达尔文主义者的批评。Maynard-Smith (1968)和Sved (1968)为Haldane的低替换速率辩护，认为Haldane的自然选择代价（cost of natural selection）在当自然选择只作用于保留那些具备大量杂合子基因的优势个体时降低（即所谓的“片面选择”，truncation selection），因而才会得到较低的替换速率；这并不是中性演化的结果。而后来的中性主义者认为（Felsenstein 1971; Nei 1971, 1975），Haldane的自然选择代价其实就相当于为达到基因替换所需要的过度繁殖力（fertility excess），或者称为达到基因替换所需要的一种遗传负荷（genetic load），即在一个规模恒定的群体里，为了达到一次基因替换，要求该群体里的每一个个体都要生产平均超过一个的后代，因为自然选择会消灭那些弱势个体；如果没有产生过度繁殖力，那么该种群规模肯定会越来越小而逐渐消亡。而事实上，正如上文所提到的，当所检视的基因位点很多时，这种为达到基因替换所需要的遗传负荷其实是哺乳动物所不能承受的，因此这种类似于“人工选择”的“片面选择”并不会在自然种群中发生（Kimura and Crow 1964; Nei 1971, 1975）。

同时期，King和Jukes（King and Jukes 1969）从另一角度的考证也得出了与Kimura类似的假设。他们在检视了大量的蛋白质分子数据和多态性格局后提出，大部分的蛋白质替换是来自于中性的突变被随机固定，因此突变才是演化的主要驱动力而自然选择的主要作用仅仅是消灭发生在功能基因上的有害突变。这一观点有些接近Morgan的中性突变学说（Morgan 1932），却与当时占主流的如Simpson（1964）、Mayr（1965）等强调自然选择是进化唯一驱动力的新达尔文主义者的观点大相径庭。在King和Jukes的中性观点中，属于自然选择范畴的“消除有害突变”的那部分作用力被保留了下来，即净化选择（purifying selection）。

这时期的中性理论，其主体思想是（Kimura and Ohta 1971; Kimura 1983）：在群体遗传学中，分子多态性（polymorphism）和基因替换（gene substitution）是同一进化过程的两个不同层面，绝大多数的进化上的变化都是突变经随机遗传漂变而固定下来的，这是一个选择上呈中性或近中性的过程。在这一过程中，等位基因频率主要是由随机过程决定的，我们所观察到的多态现象仅仅是整个持续的进化动力流程中的一个暂时的画面而已。多态性位点上的等位基因，正朝向被固定或者灭亡的命运前进。基因替换是一个长期而渐进的过程，不论其过程中多态性位点的突变等位基因的频率是增加还是减少，直到这个突变最终被随机固定下来，才能被称之为基因替换。值得注意的是，中性学说并不是认为大多数突变是中性的，而是强调被固定下来的突变是呈中性的。事实上，发生在具有重要功能的蛋白质上的突变往往会有损该蛋白质的功能，因而大多时候被认为是有害突变。因此，中性学说中很重要的一点就是，在编码区及其它具有重要功能的区域，净化选择是普遍存在的并占据主导地位以消灭有害突变。

然而，Masatoshi Nei认为Kimura在1968年所发表的这篇文章中还存在着两个方面的缺陷（Nei 2005）。首先是在替换速率的计算上，自然选择所作用的单位应当有一个明确的定义。因为Kimura（1968）是采用碱基作为假定的受选择的单位；如果也像Haldane（1957）那样采取基因作为受选择的单位，那么按照人类基因组测序的结果，人类含有23,000个功能基因，因此平均基因的替换速率应当为每个替换需2/(2.3×10⁴/3.3×10⁹)=286,000年；这远低于Haldane（1957）每一千二百年（或者每三百代，假设平均每四年为一代）发生一次替换的上限速率。如果把氨基酸作为假定的受选择的单位，根据Zhang（2000）的结果，基因组中平均每个基因编码450个氨基酸位点，那么平均氨基酸替换速率将是每个替换需2.86×10⁵/450=636年；这一结果就与Haldane（1957）的结论比较接近了。所以，假定的受选择的单位不明确的话，得出的结论会出现很大的差异。其次，认为Kimura对中性突变的定义过于严格。Kimura将选择系数（selection coefficient）|s|≤1/2N_e定义为中性突变（Kimura 1968），其中N_e为有效种群大小，s为突变型杂合子（A₁A₂）的选择系数，2s为突变型纯合子（A₂A₂）的选择系数；如果将野生型纯合子（A₁A₁）的适合度定义为1，那么突变型杂合子（A₁A₂）的适合度为1+s，突变型纯合子（A₂A₂）的适合度为1+2s。当N_e非常大的时候，例如达到了10⁶，那么发生在其中的一个s=-0.001的有害突变，其|s|=0.001远远大于1/2N_e=5×10^-7所以这个突变是“非中性”的。可是这意味着突变型纯合子（A₂A₂）与野生型纯合子（A₁A₁）的适合度的差异只有0.002；这么小的差异其实很容易被后代中大量的随机变异所消除，因此这个受选择的突变其实是没有生物学意义的。并且，从另一个极端来说，假设在一个兄妹近交体系（brother-sister mating）中，N_e=2，那么即便一个致死的有害突变s=-0.25竟然也可以被称为是中性的（|s|≤1/2N_e）。由于这个Kimura对中性突变的定义过于严格，在后续的研究中Li（1978）将其建议更改为|s|≤1/N_e。

[注1] Kimura对群体遗传学和分子进化领域的贡献见Li（1996）。