分子进化钟

19世纪中叶，达尔文创立了科学的生物进化学说，并提出了伟大的“生命之树”猜想：地球上的所有生命皆源于一个共同祖先，随后沿着38亿年时间长轴的伸展而不断分支和代谢，最终形成了今天这棵枝繁叶茂的“生命之树”。而21世纪的今天，科学家们则发明了一种跨生物学科的“分子钟”技术来追溯生物进化的历程。该技术通过直接对比不同物种间基因的碱基排列顺序，来解码生物系统中过去发生的故事。分子钟既可以帮助古生物学家揭开数百万年前的生物进化历史，也可以帮助流行病学者追踪几十年间流行病的传播轨迹。 

追溯物种起源——分子钟 (英文：Molecular clock)

1962年，祖卡坎德尔(Zuckerkandl)和鲍林(Pauling)在对比了来源于不同生物系统的同一血红蛋白分子的氨基酸排列顺序之后，发现其中的氨基酸随着时间的推移而以几乎一定的比例相互量换着，即氨基酸在单位时间以同样的速度进行置换。后来，许多学者对若干代表性蛋白质的分析，以及近年来又通过直接对比基因的碱基排列顺序，证实了分子进化速度的恒定性大致成立，并由中立说在理论上奠定了基础。这便是“分子钟”名称的由来。 

分子钟有时也被称为“进化钟”或“基因钟”,由于地球上的所有生命都会从上一代体内继承DNA遗传基因，且这种遗传基因会随时间的变化而逐渐改变，因此运用分子钟技术便可以将生物进化的起始时间准确地测定出来。 

分子进化钟的发现意义

60年代早期“分子进化钟”的发现与60年代末期“中性理论”的提出是本世纪进化学的重大事件，是古老的进化学与新生的分子生物学两者“杂交”的产物。它们的相继问世极大地推动了进化尤其是分子进化研究，填补了人们对分子进化即微观进化认识上的空白，并在生物医学等领域产生了广泛影响。

分子钟分子钟的发现迈出了分子进化学发展中最早的一步，特别是提供了在分子水平分析生物系统进化的手段，从这个意义上讲具有更重大的意义。费奇(Fitch)和马戈利来希(Margoriash)通过现存各种动植物和菌类这一广泛范围的生物种采集和提取来的细胞色素C的氨基酸排列顺序，首次再现了这些生物所表达的进化历程。利用这种分子对比而绘制的生物系统树，与以往依据化石绘制的系统树拓扑性质非常一致。沙里奇(Sarih)和威尔逊(Wilson)用分子钟研究灵长类进化问题，得出结论，否定了拉玛古猿是人类直接祖先，表明了人类的出现比原先人们一直相信的年代晚得多。这与古生物学的解释大相径庭。因此，长期以来古生物学家与分子进化学家一直争论激烈，直到最近才终于以大致符合分子钟研究结果的形式而告一段落。 

“分子钟”与中性进化学说

随着不同生物来源的大量蛋白质序列的确定，Zucherkandl等发现：某一蛋白在不同物种间的取代数与所研究物种间的分歧时间接近正线性关系，进而将分子水平的这种恒速变异称为“分子钟”。

支持进化钟存在的证据来自哺乳动物与其它脊椎动物诸如血清白蛋与转铁蛋白等的免疫学（如微量补体固定）定量比较。人们发现多肽间的免疫距离（如抗原性）与其氨基酸取代百分数成良好的线性相关，如鸟溶菌酶、哺乳动物RNase、细胞色素C与白蛋白、大肠杆菌色氨酸合成酶等。虽然这种相关性的分子基础尚不清楚，但这种客观存在经过反复验证后是不容置疑的。免抗血清由此成为初步估算球形单体蛋白间序列差异的有效工具，但其适用范围0-30%的氨基酸差异。

自从进化钟假设提出之后，存在许多反驳它的相反事实与异议。这些异议主要针对序列进化的恒速。分子进化钟的最明显的例外之一是分子序列证据与化石证据在人类起源时间上的差异。60年代中期，许多人类学家认为人类在3000年前与我们最近的亲属-- 非洲猿分歧。根据分子钟假设，分歧3000万年的物种氨基酸序列差异的应达4-5%、非重复序列DNA差异应约为8%，但实测值分别为0.8%与1.1%。对这种6倍左右的差别有两种解释。许多人类学家倾向于怀疑钟的存在，并认为在高等灵长类中分子进化速率下降。总之，虽然大部分分子进化学家同意序列进化与分歧时间密相关，但进化是以年限还是以代限为刻度则仍有分歧与争议；而且因为纵多因素的影响，与进化钟相左的数据，无论是用氨基酸、核苷酸序列差异、免疫学距离，还是用DNA杂交复性等参数，均不断有所报道，其论争预计将继续下去。自从60年代初发现分子进化钟--“分子进化速率在不同种系中恒定”以来，人们又陆续发现蛋白质中氨基酸的置换是随机而非模式性的；DNA在哺乳动物种系的总变异速率远远高于形态上的变异速率并远远超出人们的预期的大于0.5核苷酸/ 基因组/ 年；蛋白质电泳表明物种内存在大量的变异即广泛的种内多态性，且这些多态性并无可见的表型效应，与环境条件亦无明显相关。以上这些都是新达尔文主义与综合进化理论所难以解释的。

面对上述问题，日本群体遗传学家木村资生（Motoo Kimura）提出：(1) 进化过程中的核苷酸置换其绝大部分是中性或近似中性的突变随机固定的结果而不是正向达尔文选择的结果：(2) 许多蛋白质多态性必须在选择上为中性或近中性，并在群体中由突变引入与随机灭绝间两者的平衡维持。 

分子钟的优点

比起依据化石的传统方法，利用分子钟绘制系统树的方法有如下几个优点： 

第一，只要比较“现存”生物基因或蛋白质的氨基酸排列顺序即可绘出系统树，仅仅在确定分子钟的走速、量度时间才需要化石资料。 第二，与收集化石相比，工作要简单得多。特别是最近已能轻而易举地确定基因的碱基排列顺序，这一优点就更为突出。 第三，客观而且定量，具有再现性。 

但是，另一方面，必须注意到分子进化速度的恒定性并不是在严密的意义上成立的，而是在观察整个漫长的进化过程后平均得出的结论。就一种蛋白质来讲，在整个进化过程中，进化速度大体恒定；但是一旦改变了蛋白质的种类，速度就会由于作用于各种蛋白质的机能性制约，差异程度大不相同。例如，在属于进化最快一类的纤维蛋白肽与进化非常缓慢的组蛋白之间，速度上就有两位数的差异。 

另一方面，在基因方面的置换和编码领域发生同义密码变化的部位(同义部位)进化速度很快，往往超过蛋白质的速度，而且与蛋白质的变化情况成为对照，不同基因之间进化速度相似。

一般情况下，蛋白质进化缓慢，因而适于研究远缘种间的系统关系，而DNA的分子钟速度快，适宜分析近缘种间的进化。DNA分子钟研究速度均一，不因基因而异，所以只要知道平均值就可以适用于任何基因；另外还可以叠合由不同基因获得的结果。因此，为了绘出正确的生物进化系统树，还需要在大量数据的基础上进行考察。由于种种原因，进化速度会有波动，仅由一种数据得出的结果有可能导致局部错误的结论。 

分子钟传递信息之原理

用一个故事可以说明分子钟传递信息的原理。古时候，寺院中有一部藏书，经过一代又一代的传抄，这本藏书才得以代代流传和保存。有一年，寺院的一位僧侣带着抄写的藏书外出修行。到了另一个寺院之后，新寺院的僧侣们仍然采用抄写的方式保存这本藏书。然而不可避免的是，在僧侣们传抄藏书的过程中出现了一些小错误，但是这些小错误并不会改变这本书的核心内容，所以这些小错误并没有被发现和改正。后来随着抄写的不断继续，各种各样的小错误便越来越多，而书中的内容也在悄然地发生着变化。就这样，经过了几个世纪的不断流传之后，再回过头来看，人们便可以发现，后来的寺庙与最初藏书的那座寺庙有着共同的起源：每座寺庙里都有一本类似原著的藏书。然而那些藏书始终与原著存在出入，而且流传得越久，这种出入就越大。假设流传的藏书内容与原著共有100处不同，每10年藏书的内容会出现一次变化，那么就可以计算出这本书的历史为1000年。

在这个故事中，藏书代表的是基因组，书中的每一个字都代表着一个基因，寺院代表物种，僧侣代表该物种的个体，而书中的变化就代表着基因突变。其中不引起DNA含义变化的是中性突变，这些突变可以经自然选择在基因序列中保留下来，再经隔离形成新物种

 DNA中不绝于耳的嘀嗒声

精密的分子钟始终在默默地记录着地球生物的进化历程，滴滴答答，永不停歇。然而由于物种进化过程异常复杂，因此分子钟也会时常受到种种误导和干扰。首先,物种进化具有一定的趋同性，即不同的物种经过对自然的适应和选择之后，可能会进化出相似的外观，这使得它们会被误认为属于同一个物种，或认为它们之间存在着密不可分的联系。比如海豚和鲨鱼（见上图），从外表来看，它们的确非常相似，但是人们仔细观察之后便会发现，两者其实是两个完全不同的物种。海豚属于水生哺乳动物，温文尔雅，聪明伶俐，憨态可掬；而鲨鱼属于鱼类，体态庞大，生性凶猛

2012年，研究者利用分子种技术推断出在40年前艾滋病就与印度在有着不解之缘，由此推测出了该疾病的传播速率。分子钟技术在医学领域，尤其流行病学领域发挥了重要的作用，使预先有效的资源调度成为可能，从而拯救更多的生命。

通常情况下，古生物学家会在鲜有化石记录的生物群体中使用分子钟技术来揭示物种进化的历史。随着人们对生物进化的理解和认识不断提高，达尔文生命树愿景的实现指日可待。如果达尔文从坟墓中复活，他将为现代人类在研究生物进化领域所作出的伟大成就而感到欣慰。

分子钟的其他

对现代生物系的学生来说,分子钟应该是一个很普及的概念。不过对咱们这些生物知识基本来自于中学生物课本/闲杂的"科普"读物的俗人来说,貌似有必要提一提。化石是记录物种演化的第一手证据。 虽然它不连贯,不完整,形成和发现有运气成分。 但是,在现存生物的基因里,也有着类似于化石的演化痕迹, 可供今人推测其演化历史。任何复制过程,从任何一台复印机复制随意的图片,到生物体内基因的复制,都会出现信息的丢失和变化。哪怕和复印机不同,自然界存在着一些基因修复机制,这种变化依旧存在。由于我们知道,基因为了执行特定的,有意义的功能,需要把信息翻译成蛋白。

所以除了基因测序,以特定蛋白的氨基酸序列为对象进行测序, 也能得到一个特定的变化率。举个例子:拿cytochrome c这个特定蛋白为标准进行横向对比:早在上个世纪六十年代, 就有人发现如果你横向对比脊椎动物,其变化率都为13%~14%;横向对比真核生物(从真菌,小麦到鸽子和马),其变化率都为64%~69%。用类似的方法比对所有生物的cytochrome c蛋白,就能得到一个谱系树(见上图)。有趣的是,你能发现在每一层级,树杈的长度都是非常接近的。也就是说如果你从树根开始往上走,你到达细菌(37),苍蝇(28),人类(32)。。。这些现存生物"顶点"所经历的路程都是差不多一样的。也就是说对任何物种来说,在千百万年的演化过程中,这个"变化率"都是一个近乎恒定的值。这个近乎恒定的变化率,就被称为分子钟。你可以通过挑选不同的蛋白,得到不同的谱系树。Cytochrome c并不是一个最理想的标准蛋白,因为它序列短,几个氨基酸的变化就会有导致很高的变化率,蛋白越大(序列越长), 测出的分子钟就约稳定。科学家认为,这个变化率,体现的是中性的等位基因被遗传-变异机制保留,代代相传的过程。这个结论符合现在主流的基因学模型,并且有确实的证据支持。

这是一个一开始让人非常困惑的发现。

我们知道,人的种群大小和细菌的种群大小不可同日而语;人的生殖速度和细菌的生殖速度不可同日而语;人适应环境的速度和细菌适应环境的速度, 起码通过我们的观察, 也不可同日而语。 那为何从演化/分子生物学的角度,人和细菌有着接近的变化率呢?这个发现是否意味着,基因的变异和自然选择没有多大关系?简单的答案:分子钟和自然选择是没有多大关系,因为现在普遍认为决定分子钟的不是自然选择,而是遗传-漂变。

听分子钟讲进化的故事 http://synchuman.baijia.baidu.com/article/220862

http://wenku.baidu.com/link?url=Zf5uybifv6jWZgRHFG6UpnSbkuV2nRgSbwEB9nMaxP57UxLJxgMKmbXgAYiQ8FivEXooNvm7sjbm-ePatFJt8lWv8_Sp_4cO7BlLqNdoie_