群体的遗传结构与生物演化

从生命科学的发展历史看，拉马克（J.B.Lamarck）是第一个试图突破“神创论”束缚，从自然科学角度解释生物演化的科学家。他在1809年提出生物物种是不断演化的，环境变化导致生物的适应性变化，“用进废退”和获得性遗传（the inheritance of acquired characters）在生物演化进程中起着决定性作用。“用进废退”最典型的例子是他对长颈鹿的脖子形成的解释，他认为正是长颈鹿有着实现取食高处树叶的功能性意念和努力决定了其长脖的构造特征。这种“获得性遗传”假说始终得不到科学实验的证实。

1859年，达尔文（C.Darwin）出版了《物种起源》。他确信物种不是不变的，认为地球上所有的生物有着共同的祖先，物种不是静止的，而是在不断地演化，也不断接受自然环境的选择，即“物竞天择，适者生存”。提出了以自然选择学说为核心的生物进化理论（the theoryof evolution），也可译为进化论。生物演化论的创立是生物学发展历史上的一个里程碑。

然而，达尔文的生物演化学说的遗传学基础是有缺陷的。他假设生物体的每个细胞都能产生和释放出可在细胞之间移动，且可自我复制的遗传分子微芽（gemmule），亦称泛子（pangen），通过循环系统微芽可到达精子和卵子，生殖细胞收集和选择泛子后再传给下一世代，使下一代表现上一代的性状。他还认为生物生存环境的变化会作用于机体的某些部分，使泛子发生变异，这些泛子集中在生殖细胞中就能把变异传给后代。达尔文还因此接受了拉马克式的获得性遗传。达尔文的这种遗传学说被称为泛生假说（hypothesisof pangenesis）。达尔文的“泛生假说”也始终没有得到科学实验的证实。

1892年，德国生物学家魏斯曼（A.F.L.Weismann）提出种质（germplasm）学说，认为多细胞生物体包括种质和体质两部分。种质是亲代传递给后代的遗传物质，只存在于世代相传的生殖细胞中，生殖细胞能发育分化成为体细胞，而体细胞不能产生生殖细胞，不能产生种质。所以体质因环境影响而获得的变异性状不能遗传给后代，而是随个体死亡而消失。种质不因环境改变而改变。只有种质才能世代传递，连续不绝。所以这一学说又称为种质连续学说。在孟德尔遗传定律被重新发现后，丹麦学者约翰森（W.Johannsen）又在1930年提出了“纯系学说（pure line theory）”，首次提出基因型和表型概念，并将孟德尔的遗传因子称作基因，他把生物的变异严格区分为可遗传的变异和不可遗传的变异，只有基因的变异是可遗传的变异。种质学说和纯系学说完全否定了拉马克式的获得性遗传。1937年，杜布赞斯基（T.Dobzhansky）出版了《遗传学与物种起源》，标志着综合了达尔文主义和染色体遗传理论的现代综合进化学说的诞生。

20世纪中叶，随着分子生物学的蓬勃兴起，特别是遗传信息传递的中心法则雄辩地证明遗传信息只能从核酸流向蛋白质，而不能从蛋白质倒流至核酸，再加上德尔布吕克和卢里亚的彷徨实验等工作从物理学和分子生物学基础上证实基因突变产生的随机性（参见第1章§ 1.4节）。这一系列研究彻底终结了以“用进废退”为核心的拉马克主义。

实验进化遗传学通过对细菌、病毒、酵母、斑马鱼、果蝇、拟南芥、水稻等模式生物，以及人类体细胞进行基因突变、互补、过量表达及可调控表达的遗传学实验分析，对基因及其功能、表达调控模式、信号转导网络进行了系统研究，进而通过对生物体适应环境的机制做实验分析来阐明可遗传变异的起源和相应的演化进程或生态学现象，为综合进化学说提供了坚实的实验基础。

生物演化，或者说生物进化是一种自然现象，研究演化规律的学科是群体遗传学（populationgenetics），群体遗传学的理论基础是哈代-温伯格定律，分别在1908年和1909年由英国数学家哈代（G.H.Hardy）和德国医生温伯格（W.Weinberg）独立证明，也称哈代-温伯格平衡定律（Hardy-Weinberg equilibrium）。在群体遗传学中，哈代-温伯格定律主要用于描述群体中等位基因频率以及基因型频率之间的关系，通过它可以演绎出突变、重组、迁徙和自然选择作用下群体基因频率变化的数学理论。

哈代-温伯格法则证明群体基因频率要保持平衡，必须满足五个条件：①种群是足够大的；②种群内个体间的交配是随机的，即个体之间的交配并不基于对相互遗传特征的选择，而且群体中成员之间相互选择的机会是相等的；③不发生突变；④种群之间没有个体的迁徙或其他形式的基因交流；⑤不存在自然选择。

如果我们假设，在一个足够大生物群体中，等位基因A和a的频率分别为P和q，且A与a的频率之和：p＋q＝1。经过群体内个体之间的随机交配，则：

下一代群体中基因型为A/A的个体在群体中的频率为：fA/A＝p×p＝p2

基因型为A/a的个体在群体中的频率为：fA/a＝p×q＋P×q＝2pq

基因型为a/a的个体在群体中的频率为：fa/a＝q2

且三种基因型个体频率之和为：fA/A＋fA/a＋fa/a＝p2＋2pq＋q2＝（ p＋q）2＝1如果卵细胞和精子中A基因的频率都是P，则a基因的频率为q，q＝1-P。

随机交配的结果是：受精卵中卵细胞和精子都携带A基因的频率为p×pp2，即子代中A/A的个体在群体中的频率为：fA/A＝p×p＝p2。

同样可以推算出子代中基因型为A/a的个体在群体中的频率为：fA/a＝p×q＋p×q＝2pq。

子代中基因型为a/a的个体在群体中的频率为：fa/a＝q2。

经过随机交配一代后，三种基因型个体频率之比为：p2∶2pq∶q2。

在F1代中：A基因的频率为：p2＋pq＝p（p＋q）＝p。

a基因的频率为：q2＋pq＝q（p＋q）＝q。

所以子二代中三种基因型个体的比例仍为：p2∶2pq∶q2，达到了随机交配群体中的哈代-温伯格平衡（图9-6）。

图9-6　随机交配群体中哈代-温伯格平衡示意

群体的遗传结构是各种基因型个体在群体中的频率组成。影响群体遗传结构的因素包括：①各种基因型个体之间的交配模式，即是随机交配模式还是有某种程度选择性的交配模式；②个体在不同群体之间的迁徙；③因突变而在群体中引入新的等位基因；④通过重组导致等位基因在不同位点的基因新组合；⑤自然选择造成不同基因型个体存活率或生育率的差异；⑥由于每一个给定个体的子裔数很少，群体的规模又受制于环境条件，而减数分裂产生的不同配子的比例在具体的家庭和整个群体中都不可能与理论计算的完全相同。不同基因型个体之间的这种交配随机波动（random fluctuation）在世代交替过程中会导致群体的遗传漂变（genetic drift）。群体遗传学研究的就是这些因素对群体遗传结构的影响。

群体遗传学研究的表型与基因型变异的关系，即单个基因的不同等位基因与不同的表型之间的关系。观察的表型可以是一个宏观性状，如体型、头发的颜色或生长速度与基因突变的关系，也可以是某种代谢产物能否生成或生成速度的变化与基因突变的关系，也可以是一个RNA分子或蛋白质分子与基因组中编码这个RNA或蛋白质的一段DNA序列的关系。在人类群体遗传学研究中最常研究的性状是血型，血型的表型是红细胞表面特定抗原和血清中的特定抗体。如MN血型是由单一位点的不同等位基因决定的，并不受环境条件的影响，所以血型的变异完全是基因之间的差异决定的。ABO是人的另一个血型系统，它涉及两个显性基因ⅠA和ⅠB，一个隐性基因i。血型为A的人，其基因型可以是纯合子ⅠAIA，也可以是杂合子ⅠAi；同样B型血的基因型可以是纯合子ⅠBⅠ B，也可以是杂合子Ⅰ Bi；隐性基因i纯合子ii的血型是O型。群体遗传学研究的变异包括基因突变和染色体畸变。

群体遗传学的研究涉及生物个体的遗传与发育和群体遗传结构及其随时间与空间变化的关系。基因突变、重组和迁徙是群体中变异的来源，但归根结底群体中的变异来源是突变。突变率是在一个世代中一个等位基因拷贝变为另一个等位基因形式的概率。基因突变率因物种和基因位点而不同，一般可以在10-9～10-5范围内，即一种等位基因在一次复制过程中突变为另一种等位基因的概率介于十万分之一到十亿分之一。重组则会大大增加群体中的变异组合，产生具有多种多样基因组合的基因组。迁徙是一个群体以任何方式从另一个群体引入基因，发生于基因频率不同的群体之间的迁徙有可能会显著改变群体的遗传结构。

突变、重组和迁徙使生物群体的遗传结构发生了变化，这些变化增加了群体中个体之间和不同群体之间的遗传歧异，但不一定能提高群体对生存环境的适应程度，它们只是为自然选择提供更多的材料，决定群体中种种变异命运的是自然选择。自然选择通过生物个体生存率和生育率差异来淘汰适应程度低下的变异或变异组合，扩大适应程度高的变异或变异组合，使生物群体不断增强在特定环境中的生存机会，提高其对环境的适合度（fitness，adaptive value）。自然界中具有相同基因型的个体，在相同的环境条件下的寿命和生育子裔的数目可能因种种原因而不同，所以常用某种基因型个体的平均生育率，或者在一定的环境条件下，特定基因型个体将其基因传递至群体下一世代基因库的相对概率来描述其适合度。适合度是生物体的表型与其生存环境相互作用的结果，可以设想相同的基因组在不同的环境条件下会有不同的适合度，原因之一是即使基因型完全相同的生物体可能因发育阶段的环境差异而发育出不一样的表型。没有一种基因型会在任何环境条件下始终处于优势地位。正是自然选择使生物群体的遗传结构在动态变化中不断演化。自然选择是生物演化的主导力量。自然选择是通过漫长的世代甚至全部地质时期进行工作的，相对而言人工选择则历时短暂。

自然选择是通过改变群体中各种等位基因的相对频率来实现的，即自然选择会增加平均适合度较高的等位基因中群体中的频率，从而也提高了整个群体的平均适合度。必须注意的是适合度是群体中不同基因型个体之间的相对值，也就是说自然选择作用的是相对适合度，而不是绝对适合度，所以自然选择改变的只是各种基因型的相对频率。譬如等位基因A的携带者比群体中a1、a2、a3等其他等位基因携带者的相对适合度高，等位基因A在群体中的频率就会逐代增加。

如果在某种条件下，异合子个体A/a的相对适合度高于纯合子A/A或a/a，则称为适合度的超显性（overdominance in fitness）。人类中的一个例子是西部非洲人群中的高频率镰形细胞性状（sickle cell trait）。血红蛋白的相关致病基因Hb-S的纯合子个体会在性成熟期前死于镰状细胞贫血（sickle cell anemia）。然而，当地流行的一种死亡率极高的恶性疟疾会导致大量正常基因Hb-A纯合子个体死亡，而异合子个体Hb-A/Hb-S不仅没有致命的贫血症状，相反红细胞中存在的异常血红蛋白使他们免受恶性疟疾之害。这就从生物演化的角度解释了为什么Hb-S基因在某些西非人群中的频率比其他人群高。而诸如导致血友病的凝血因子Ⅷ和凝血因子Ⅸ突变基因这样没有适合度超显性的疾病相关基因，在群体中的频率就会因自然选择作用而非常低。由此可见，演化并不必然伴随着进步、改善或复杂化，但演化必定是趋向适应的。群体遗传学是生物演化论，或者说进化论的理论基石。

物种形成和生物演化的机制应包括基因突变、自然选择和隔离三个方面。突变是进化必不可少的原料，通过自然选择保存并积累那些适应性变异，再通过空间性的地域隔离，以及最终形成的遗传性生殖隔离，阻止各群体间的基因交流，最终形成了新物种。

人类群体遗传学研究表明人类种族内部个体之间的遗传差异占人类遗传变异的89%，而由于种族或地域造成的遗传变异仅占9%，即种族群体内个体之间的遗传差异远大于不同种族之间的平均差异。因此，所谓人种主要是一种文化意义上的定义而不是遗传学的定义，几乎没有可用来描述人种差异的遗传学标志。遗传学的研究证实种族歧视是完全没有理论根据的。