進化相對論

20世紀50年代，芬蘭生物學家比約恩·庫爾滕發現他研究的馬化石有些異常。他比較了幾代不同科的馬骨頭形狀，觀察到不少細微卻重要的變化。而相隔數百萬年的馬骨，在形態上卻幾乎沒有多大差異。后半個世紀的后續研究也發現了相似的結果：生物學家在較短的時間跨度中追蹤生物體時，發現其進化速度似乎更快。

21世紀20年代中期，悉尼大學進化生物學家西蒙·何分析基因組時遇到了類似情況。當時西蒙在計算幾千年間鳥類和靈長目動物的基因突變速度，他發現基因組處處都有微小的突變，這表明了進化速度之快?？墒撬麑⒛攴堇h，比較數百萬年間的DNA序列時，卻注意到了異常情況——進化速度明顯變慢了。

西蒙對這個結果很是困惑，于是他開始深入研究其中的緣由。期間他偶然發現了庫爾滕在1959年的研究，他意識到，物種在不同時間跨度中形態變化的程度不同，基因序列的差異也是如此。

作為一位進化生物學家，直覺告訴他，他在短期內看到的突變速率是正確的?；蚪M僅在幾個地方發生了突變，每處變化都像白墻上濺上的油漆點—樣明顯。

但是，墻壁若濺上更多的油漆，墻上原本的顏色就會被逐漸掩蓋。同理，進化過程和自然選擇調整了短期內出現的基因突變現象。在數百萬年里，DNA序列中的A堿基（腺嘌呤）可能會突變為T堿基（胸腺嘧啶），但是在其中的某段時間內，A堿基可能會暫時突變為C堿基（胞嘧啶）或者G堿基（鳥嘌呤）。西蒙認為這種飽和突變是突變速率隨著時間跨度不同（他稱之為時間相關速率現象）而變化的主要原因。

“把它想象成股市?！蔽髅烧f。標普500指數每小時或者每日的起伏波動都非常不穩定，忽高忽低?？墒?，長遠看來，每日的波動幅度開始趨于平衡，股市變得更加穩定。同理，隨著時間的推移，自然選擇會逐漸淘汰那些不太有利和更有危害性的突變。

西蒙的研究發現對生物學有重要意義。這意味著，從數十億年前真核細胞與原核細胞的第一次分裂到2014年埃博拉病毒再次爆發，生物史上很多被當作里程碑的時間點有可能是錯誤的。澳大利亞國立大學進化生物學家羅伯·蘭費爾說，“聽說這個結論時，每個人都在驚呼‘噢，噢，天吶！’。”

起初該研究結果并未得到完全認可。一方面，這個概念范圍太大、意義非凡，生物學家需要時間想明白。此外還有—個更大的障礙：這個概念存在于每一個進化過程，但是很難應用。生物學家應該對之前推測的進化史做多少改動呢？目前他們還難以進行準確的量化?？茖W家不能精確計算進化率的變化，就沒有辦法比較進化事件的具體時間。

最近，牛津大學古生態學家艾利斯卡特勞拉克斯采用了時間相關速率現象，并將其應用于研究病毒的進化過程。研究期間，他不但將幾類反轉錄病毒的起源推到約5億年前（遠早于動物首次從海洋遷移到陸地的時間），還開發了—種能夠解釋時間相關速率現象的數學模型，為生物學家提供更準確的進化事件日期。

科學家對此研究的前景興奮不已?！斑@就像愛因斯坦的相對論，不過是病毒領域的，”墨西哥大學計算進化生物學家塞巴斯蒂安·杜赫如是說。根據時間相關速率現象，生物的進化速度將取決于觀察者研究的時間范圍，和相對論一樣，研究人員現在可以通過時間范圍來計算進化速度。

卡特勞拉克斯一生致力于探尋艾滋病病毒以及其他逆轉錄病毒的起源，這些病毒由單鏈核糖核酸組成。

他在研究艾滋病病毒的突變速率時發現，它是進化速度最快的已知病毒之一。而且這種極高的變異率不無道理：DNA等雙鏈分子能夠進行自我校對，可以糾正復制過程中的錯誤，但是艾滋病和其他單鏈RNA病毒卻沒有這種功能，所以編譯錯誤層出不窮。

正因如此，病毒學家只能研究類似病毒的近代史。較老的病毒樣本都已達到突變飽和，科學家還未能解釋所有突變進程中日積月累下來的編譯錯誤。要想研究逆轉錄病毒數千年甚至數百萬年來的突變率，普通方法可行不通，于是卡特勞拉克斯采用了另一種技術：他開始在宿主DNA序列中尋找類似于病毒化石的東西。逆轉錄病毒會把遺傳物質復制儲存到宿主細胞中，大多數情況下，這些信息會隨著宿主的死亡而消失。但是幸運的話，反轉錄病毒會侵入精子或者卵細胞的染色體中。在DNA里安家后，這些病毒會隨著宿主繁衍生息而世代流傳下來。然而，這種情況非常罕見。

于是，卡特勞拉克斯打算用這些病毒殘骸來研究逆轉錄病毒的古老起源，但研究結果卻出人意料。他發現，漫長歲月中，這些逆轉錄病毒的進化過程十分緩慢，幾乎和人類等復雜生命體的進化速度相同。按理來說，復雜生命體有校對機制，進化過程會比病毒慢得多。

如果逆轉錄病毒的進化速度真比科學家們預想中慢得多，那就意味著它們存在的歷史會更加久遠。畢竟，與進化快的病毒相比，進化較慢的病毒需要更多時間來達到相同的進化程度。

于是他開始尋找定位逆轉錄病毒的準確起源時間。為此，他著手研究了一批世界上最古老的逆轉錄病毒，也就是所謂的泡沫病毒。這些病毒幾乎可以感染從猴子到奶牛的一切生物。如此，卡特勞拉克斯便能校準“進化鐘”，確定泡沫病毒的準確起源時間。如果兩個物種共享同樣的泡沫病毒序列，那么，在這兩種物種分化之前，泡沫病毒就已經感染了它們共同的祖先。

“這讓我們可以獲悉遠古進化事件的發生時間，而且這種方式不需要依賴基因序列本身?！笨ㄌ貏诶怂拐f道。

世界各地的研究人員已逐漸將泡沫病毒的起源時間推至一億年前。但卡特勞拉克斯發現，這種病毒感染爬行動物、兩棲動物甚至魚類的歷史遠在一億年前。但想要證明逆轉錄病毒的歷史遠超過廣泛接受的一億年，卡特勞拉克斯需要確定泡沫病毒本身的起源時間。

他仔細閱讀了西蒙關于時間相關速率的論文，希望能弄清如何將其運用到病毒研究中。同時，他還想建立一個通用模型，讓研究人員能夠通過輸^他們所觀測到的時間范圍，直接獲得有關生物體進化速度的細節。

卡特勞拉克斯和他的學生帕坤·埃尤薩昆嘗試了四種不同的方式，以確定進化速度是如何隨不同時間范圍而改變的。他們發現，冪定律衰減模型最符合他們的數據，進化速度隨著時間范圍的擴大而呈現幾何級數的減小。緊接著，他們對396種病毒進行了研究。研究顯示，幾乎所有的基因組類型和自我復制策略的進化速度都以相同的速度放緩?，F有的進化鐘并未將時間相關速率現象納入考慮范圍，從而錯誤地預估了遠古病毒的起源時間。實際上，它們要古老得多。

然后，卡特勞拉克斯和埃尤薩昆利用最新開發的數學模型來重新計算泡沫病毒的起源時間。他們在一月份發表的一篇論文中提出，泡沫病毒的起源時間大概在4.6億年前至5.5億年前之間。與此同時，亞利桑那大學病毒學家邁克爾.沃羅貝也在《病毒進化》雜志上獨立發表的論文中提出，這些病毒起源于更早的時期。盡管研究推算出了已知病毒的最早起源時期，但卡特勞拉克斯認為，還有可能存在更古老的病毒。

這些對遠古病毒起源時間的新發現已經遠遠超出了事件的本身意義?？茖W家對泡沫病毒起源時期的研究結果不謀而合，這證明，時間相關速率現象的發現不僅得益于對病毒殘骸的統計，也得益于研究人員鑒定物種起源年代的方法?？ㄌ貏诶怂沟哪Ｐ鸵矠檠芯咳藛T提供了量化時間相關速率現象的工具，而且他的模型對人們理解這一現象背后的因素具有十分重要的意義。

從廣義上說，卡特勞拉克斯和西蒙的發現有力挑戰了之前進化速度維持不變的觀念?！斑@個發現改變了我們對分子進化的理解，”杜赫說道，“而且讓我們知道，生物的進化速度不具有普遍性，甚至同一物種的進化速度也隨著時間的推移而變化?！?/p>

這也意味著，科學家們可能需要修正遠古進化事件的發生時期，因為他們之前嚴重低估了這一時間，卡特勞拉克斯表示。目前，他正試圖弄清自然選擇和突變飽和是否是導致時間相關速率現象的唯一原因，如果還有其他原因，這些原因又是如何導致這—現象的。

“究竟是我們使用的工具具有局限性，還是我們忽視了什么東西？如果能搞清這一過程，那么我們會對進化有更深刻的理解?！笨ㄌ貏诶怂拐f。