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进化论的革新者——根井正利

  2019 大科技杂志社

  科研领域的“全才”

  2013年11月,在日本京都市的一间大型音乐厅里,京都奖的第二十九届颁奖典礼如期举行,美国科学院院士、宾夕法尼亚大学生物学教授根井正利获得了其中的基础科学奖,以表彰他在分子水平上对进化理论的开拓性探索。

  京都奖是一项重量级的国际科学大奖,它由日本企业家稻盛和夫创立,由日本企业稻盛集团主办,每年评选一次,设置三个奖项,分别授予全世界在尖端技术、基础科学和思想艺术领域做出突出贡献的三位科学家或艺术家,有“日本诺贝尔奖”之称。每一位京都奖的获奖者可以得到5000万日元的奖金,相当于300万人民币。

  

  作为一位美籍日裔获奖者,根井正利的演讲被安排为颁奖典礼的压轴节目,日本王妃高圆宫久子、企业家稻盛和夫以及众多日本外交官亲临捧场。在众人的掌声中,82岁的根井正利缓缓登台,他用一面巨大的屏幕播放幻灯片,试图向热切而尊贵的观众展示开拓性的研究技术以及革命性的进化理论。这时,根井正利却遇到了一个小小的技术故障——他的幻灯片开始随机地“前进”或“后退”,完全没法控制。处理无果后,根井正利有些尴尬地对他的观众开玩笑说:“我总是追求理论,而不是实用性”。

  其实,在根井正利的整个科研生涯中,他的“理论”和“实用性”做得都不错。比如,根井正利早期所做的农业研究就很实用,后来他通过统计学从分子水平上分析生物进化的机制,这又涉及到非常高深的数学和计算机理论。1972年,根井正利发明了如今仍在被广泛使用的“根井标准遗传距离”计算公式,可以比较不同生物种群关键基因的分化程度,从而估算这些种群在多久之前进化出了“分支”。20世纪90年代,他又设计了“分子进化遗传学分析”软件(简称“MEGA”),这款软件功能非常发达,是生物科研领域应用最广泛的计算机程序之一。

  可以说,根井正利大部分研究成果都是“理论”和“实用性”的完美结合。从“动脑”和“动手”的角度来说,根井正利算得上是科研领域中的“全才”了。

  生物进化的“中性理论”

  前面提到,根井正利最初所做的研究是农业科学,那么他后来又为何成为了一名进化生物学家呢?这其实与另一位日本生物学家木村资生有关。

  1931年,根井正利出生于日本宫崎县,22岁时毕业于宫崎大学农学系,1959年,在京都大学获得农学博士学位。随后,根井正利来到日本国立放射学研究所任职,研究农作物的育种,频繁接触到群体遗传学的知识。群体遗传学是一种用数学研究群体中的基因变化动态的科学,美国在这一领域的水平比较高。木村资生恰好从美国留学回来,同时也是精通群体遗传学的着名学者,根井正利便常常向他请教和探讨问题。根井正利结识木村资生不久,后者便创立了一种新的进化理论——“分子进化中性学说”,简称“中性理论”。

  在20世纪60年代以前,学术界最推崇的进化理论是达尔文的自然选择学说。在《物种起源》这篇巨着中,达尔文指出,自然界现存的各种各样的生物,是由其共同祖先经过自然选择进化而来的,物种在自然选择下进行生存竞争,导致“适者生存,不适者被淘汰”。在自然选择下,对生存竞争有利的变异会保存下来,不利的变异被淘汰,长此以往,微小的变异积累为显着的变异,就形成了新的亚种或新的物种。所以,达尔文及其学说的继承者认为,自然选择塑造了生物的性状。

  

  然而,在木村资生看来,把一切进化现象都归结为自然选择是不妥当的,因为生物普遍存在着许多与适应自然无关的性状,比如人类眼睛的单双眼皮、鼻子鼻梁的高低、头发颜色的深浅等等。在一般情况下,很难说自然选择对这些性状的存在能产生多大的影响。这或许说明,即使没有自然选择,生物也会出现性状的差异,也能形成进化。为了不和达尔文学说产生太大的冲突,木村资生提出,生物存在两种进化模式:一种是发生在宏观表型(基因等生物分子表现出来的整体性状特征)水平上的进化,它由自然选择驱动;另外,还存在不受自然选择影响的进化,这种进化发生在分子(比如基因、蛋白质和核酸)水平上,它对生物个体是否适应自然来说无所谓好坏,是呈中性的——这就是“分子进化中性学说”。

  “变异”驱动进化

  木村资生的“分子进化中性学说”让根井正利非常感兴趣。于是,他于1969年离开日本,前往美国研究进化生物学。在随后的几十年里,根井正利先是在布朗大学任教,后来陆续担任得克萨斯大学休斯顿分校以及宾夕法尼亚大学的教授,并于1997年当选美国科学院院士。经过长期研究,根井正利成为“分子进化中性学说”的代表人物,同时对于进化生物学做出了许多革新。

  比如,为了论证“中性理论”,根井正利利用统计学的知识建立了数学方程,利用计算机模拟生物分子的变异在生物传代过程中的行为。结果发现,生物分子的变异往往不影响分子(比如蛋白质和核酸)的功能,也就是说它并不引起宏观表型的改变,也不影响生物个体适应环境的能力。所以,生物分子水平上的变异无利亦无害,呈中性,自然选择对其无能为力。

  

  但是,这些随机的、不受自然选择影响的中性变异会在生物传代过程中通过遗传被固定下来,或者消失。至于哪一种变异能够保存下来,哪一种变异趋于消失,同样也全靠机遇。根井正利将这种中性变异的随机的变动称为“遗传漂变”。由于生物身体的每一部分都是由分子控制的,而分子的进化是通过中性变异的“遗传漂变”实现的,自然选择并不起作用,所以,根井正利提出一种新的观点:生物进化的驱动力是变异,而非自然选择。

  又比如,构建“进化树”是理解生物进化史的重要方法,为此,根井正利发明了一种计算机算法,可以通过比较不同物种之间关键基因的差异来快速构建进化树,相关的论文如今已经被引用了超过3.4万次。另外,“根井标准遗传距离”计算公式以及“分子进化遗传学分析”软件都是根井正利发明的新型研究方法,在进化生物学领域得到了广泛应用。

  获得京都奖后,根井正利被问及自己成功的秘诀。他提到,独立思考,勇于质疑教条和抛弃先入为主的观念,这才是最重要的科学素养。正是由于不迷信达尔文,他才在进化生物学的研究道路上越走越远,最终获得成功。

  科研领域的“全才”

  2013年11月,在日本京都市的一间大型音乐厅里,京都奖的第二十九届颁奖典礼如期举行,美国科学院院士、宾夕法尼亚大学生物学教授根井正利获得了其中的基础科学奖,以表彰他在分子水平上对进化理论的开拓性探索。

  京都奖是一项重量级的国际科学大奖,它由日本企业家稻盛和夫创立,由日本企业稻盛集团主办,每年评选一次,设置三个奖项,分别授予全世界在尖端技术、基础科学和思想艺术领域做出突出贡献的三位科学家或艺术家,有“日本诺贝尔奖”之称。每一位京都奖的获奖者可以得到5000万日元的奖金,相当于300万人民币。

  

  作为一位美籍日裔获奖者,根井正利的演讲被安排为颁奖典礼的压轴节目,日本王妃高圆宫久子、企业家稻盛和夫以及众多日本外交官亲临捧场。在众人的掌声中,82岁的根井正利缓缓登台,他用一面巨大的屏幕播放幻灯片,试图向热切而尊贵的观众展示开拓性的研究技术以及革命性的进化理论。这时,根井正利却遇到了一个小小的技术故障——他的幻灯片开始随机地“前进”或“后退”,完全没法控制。处理无果后,根井正利有些尴尬地对他的观众开玩笑说:“我总是追求理论,而不是实用性”。

  其实,在根井正利的整个科研生涯中,他的“理论”和“实用性”做得都不错。比如,根井正利早期所做的农业研究就很实用,后来他通过统计学从分子水平上分析生物进化的机制,这又涉及到非常高深的数学和计算机理论。1972年,根井正利发明了如今仍在被广泛使用的“根井标准遗传距离”计算公式,可以比较不同生物种群关键基因的分化程度,从而估算这些种群在多久之前进化出了“分支”。20世纪90年代,他又设计了“分子进化遗传学分析”软件(简称“MEGA”),这款软件功能非常发达,是生物科研领域应用最广泛的计算机程序之一。

  可以说,根井正利大部分研究成果都是“理论”和“实用性”的完美结合。从“动脑”和“动手”的角度来说,根井正利算得上是科研领域中的“全才”了。

  生物进化的“中性理论”

  前面提到,根井正利最初所做的研究是农业科学,那么他后来又为何成为了一名进化生物学家呢?这其实与另一位日本生物学家木村资生有关。

  1931年,根井正利出生于日本宫崎县,22岁时毕业于宫崎大学农学系,1959年,在京都大学获得农学博士学位。随后,根井正利来到日本国立放射学研究所任职,研究农作物的育种,频繁接触到群体遗传学的知识。群体遗传学是一种用数学研究群体中的基因变化动态的科学,美国在这一领域的水平比较高。木村资生恰好从美国留学回来,同时也是精通群体遗传学的着名学者,根井正利便常常向他请教和探讨问题。根井正利结识木村资生不久,后者便创立了一种新的进化理论——“分子进化中性学说”,简称“中性理论”。

  在20世纪60年代以前,学术界最推崇的进化理论是达尔文的自然选择学说。在《物种起源》这篇巨着中,达尔文指出,自然界现存的各种各样的生物,是由其共同祖先经过自然选择进化而来的,物种在自然选择下进行生存竞争,导致“适者生存,不适者被淘汰”。在自然选择下,对生存竞争有利的变异会保存下来,不利的变异被淘汰,长此以往,微小的变异积累为显着的变异,就形成了新的亚种或新的物种。所以,达尔文及其学说的继承者认为,自然选择塑造了生物的性状。

  

  然而,在木村资生看来,把一切进化现象都归结为自然选择是不妥当的,因为生物普遍存在着许多与适应自然无关的性状,比如人类眼睛的单双眼皮、鼻子鼻梁的高低、头发颜色的深浅等等。在一般情况下,很难说自然选择对这些性状的存在能产生多大的影响。这或许说明,即使没有自然选择,生物也会出现性状的差异,也能形成进化。为了不和达尔文学说产生太大的冲突,木村资生提出,生物存在两种进化模式:一种是发生在宏观表型(基因等生物分子表现出来的整体性状特征)水平上的进化,它由自然选择驱动;另外,还存在不受自然选择影响的进化,这种进化发生在分子(比如基因、蛋白质和核酸)水平上,它对生物个体是否适应自然来说无所谓好坏,是呈中性的——这就是“分子进化中性学说”。

  “变异”驱动进化

  木村资生的“分子进化中性学说”让根井正利非常感兴趣。于是,他于1969年离开日本,前往美国研究进化生物学。在随后的几十年里,根井正利先是在布朗大学任教,后来陆续担任得克萨斯大学休斯顿分校以及宾夕法尼亚大学的教授,并于1997年当选美国科学院院士。经过长期研究,根井正利成为“分子进化中性学说”的代表人物,同时对于进化生物学做出了许多革新。

  比如,为了论证“中性理论”,根井正利利用统计学的知识建立了数学方程,利用计算机模拟生物分子的变异在生物传代过程中的行为。结果发现,生物分子的变异往往不影响分子(比如蛋白质和核酸)的功能,也就是说它并不引起宏观表型的改变,也不影响生物个体适应环境的能力。所以,生物分子水平上的变异无利亦无害,呈中性,自然选择对其无能为力。

  

  但是,这些随机的、不受自然选择影响的中性变异会在生物传代过程中通过遗传被固定下来,或者消失。至于哪一种变异能够保存下来,哪一种变异趋于消失,同样也全靠机遇。根井正利将这种中性变异的随机的变动称为“遗传漂变”。由于生物身体的每一部分都是由分子控制的,而分子的进化是通过中性变异的“遗传漂变”实现的,自然选择并不起作用,所以,根井正利提出一种新的观点:生物进化的驱动力是变异,而非自然选择。

  又比如,构建“进化树”是理解生物进化史的重要方法,为此,根井正利发明了一种计算机算法,可以通过比较不同物种之间关键基因的差异来快速构建进化树,相关的论文如今已经被引用了超过3.4万次。另外,“根井标准遗传距离”计算公式以及“分子进化遗传学分析”软件都是根井正利发明的新型研究方法,在进化生物学领域得到了广泛应用。

  获得京都奖后,根井正利被问及自己成功的秘诀。他提到,独立思考,勇于质疑教条和抛弃先入为主的观念,这才是最重要的科学素养。正是由于不迷信达尔文,他才在进化生物学的研究道路上越走越远,最终获得成功。