作者：PSG

拉馬克（Jean-Baptiste de Lamarck, 1744-1829）何許人也？對(duì)進(jìn)化論有了解的童鞋大都聽(tīng)過(guò)這個(gè)名字。法國(guó)博物學(xué)家和進(jìn)化生物學(xué)家拉馬克從1802年開(kāi)始逐漸完善了自己的進(jìn)化學(xué)說(shuō)，主要包括獲得性遺傳和用進(jìn)廢退兩個(gè)法則，我們通常把它們稱為拉馬克主義（Lamarckism）或拉馬克學(xué)說(shuō)。拉馬克主義的核心是，環(huán)境是生物進(jìn)化的主要原因，生物獲得適應(yīng)的和方向性的性狀變化。

圖1 拉馬克其人（圖片來(lái)自維基百科）

然而，拉馬克主義在現(xiàn)代進(jìn)化生物學(xué)體系中并不被認(rèn)可，我們流行的學(xué)說(shuō)認(rèn)為，自然選擇（natural selection）才是適應(yīng)性進(jìn)化的主要驅(qū)動(dòng)力。進(jìn)化來(lái)源于環(huán)境對(duì)群體中擁有適應(yīng)性表型特征個(gè)體的選擇，而這些特征都是可遺傳的，并由此被長(zhǎng)期遺傳下去；不適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體將會(huì)被淘汰。換句話說(shuō)，進(jìn)化發(fā)生的基本條件是有可被選擇的表型特征且這些特征是可以遺傳，而環(huán)境本身并不能使生物獲得表型性狀。
這種觀點(diǎn)直到今天仍然是進(jìn)化生物學(xué)界的主流。然而，表觀遺傳學(xué)（epigenetics）的發(fā)展，給這棵現(xiàn)代進(jìn)化生物學(xué)之花松了一下土，人們從垃圾堆中翻出了拉馬克的著作，抖了抖上面的灰塵，又開(kāi)始重新回味拉馬克當(dāng)年所寫(xiě)的內(nèi)容，并陷入了深思。
表觀遺傳學(xué)，又被稱為表征遺傳學(xué)，它與經(jīng)典遺傳學(xué)的區(qū)別在于是在不改變DNA序列的前提下，通過(guò)特殊的機(jī)制引起可遺傳的表型變化。大家都知道DNA是細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)，決定著每一個(gè)生命的表型。上文所提到的可遺傳的變異，其本質(zhì)就是DNA序列的變化，它可以是一個(gè)或部分位點(diǎn)的突變，可以是大片段的復(fù)制或消減，甚至可以是顛倒轉(zhuǎn)移。無(wú)論怎么樣，DNA序列的變化是表型變化的基礎(chǔ)，也是生物進(jìn)化的源泉。
那么，不改變DNA序列的表觀遺傳又是怎么操作的呢？現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了幾種機(jī)制，包括DNA甲基化（諾貝爾獎(jiǎng)的重大熱門(mén)候選）、RNA干擾（2006年諾貝爾獎(jiǎng)）、染色體重塑和組蛋白修飾等等。不管怎么樣，通過(guò)這些機(jī)制，生物確實(shí)能夠繞開(kāi)DNA序列而將新的表型性狀遺傳下去。
按說(shuō)，這本來(lái)沒(méi)什么，不就是多了一個(gè)遺傳的機(jī)制嘛。但是，特別的地方在于，這些表觀遺傳修飾可能是由環(huán)境直接誘導(dǎo)的。例如Crews等人（2007）做的一個(gè)關(guān)于小鼠的實(shí)驗(yàn)。這種小鼠有個(gè)特點(diǎn)就是像人一樣有自己的擇偶標(biāo)準(zhǔn)，打個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋扔骶拖裥」媚镎夷衅钡臅r(shí)候喜歡挑長(zhǎng)得帥的，而長(zhǎng)得比較小眾的小伙只能靠邊站。然后，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)親代的雌性小鼠進(jìn)行了處理，在一種農(nóng)業(yè)用的殺真菌劑農(nóng)利靈（Vinclozolin）前暴露了非常短暫的時(shí)間，然后讓它們繁殖下去。開(kāi)始的兩代還沒(méi)什么，戲劇性的變化出現(xiàn)在F3代，它們改變了擇偶標(biāo)準(zhǔn)，就如同馬臉在社會(huì)上開(kāi)始流行了一樣。與此同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了大腦控制擇偶的區(qū)域發(fā)生表觀遺傳修飾。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，環(huán)境確實(shí)有可能會(huì)直接促使生物產(chǎn)生可遺傳的性狀變異。這已然與我們熟知的上述的經(jīng)典理論完全不同了，反而接近200年前的拉馬克理論。
但是，還有人質(zhì)疑，這只是表明環(huán)境通過(guò)表觀遺傳影響表型的機(jī)制存在而已，與生物進(jìn)化還有很長(zhǎng)的距離。確實(shí)，生物進(jìn)化是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程，上百萬(wàn)年時(shí)間都只是彈指一揮間。表觀遺傳修飾要想對(duì)生物進(jìn)化有影響，必須要在長(zhǎng)期的時(shí)間尺度上穩(wěn)定。具體說(shuō)來(lái)，要在至少10代甚至更長(zhǎng)時(shí)間存在，才能在微進(jìn)化（microevolution）中發(fā)揮作用。而要想在一些重大的進(jìn)化事件（如物種形成和適應(yīng)輻射等）中起作用，必須要能夠在上千代中保存。所以說(shuō)，檢驗(yàn)表觀遺傳修飾是否隨著物種分化而積累，是認(rèn)識(shí)表觀遺傳學(xué)對(duì)進(jìn)化生物學(xué)影響的第一步。
立刻有人做了這個(gè)事情。Skinner等人（2014）檢測(cè)了加拉帕戈斯群島的達(dá)爾文雀在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中的表觀遺傳修飾積累狀況。達(dá)爾文雀是進(jìn)化生物學(xué)研究中的一個(gè)明星物種，它們都是由一個(gè)共同祖先在近2-3個(gè)百萬(wàn)年的時(shí)間內(nèi)通過(guò)適應(yīng)輻射爆發(fā)形成的物種，現(xiàn)存共有14個(gè)物種，占據(jù)了群島不同的生態(tài)位。這些物種在身體大小、形態(tài)和喙的形狀等特征上迥然不同，因此是研究進(jìn)化生物學(xué)的絕佳材料。
第一件事要找好分子標(biāo)記。Skinner他們選用了DNA甲基化區(qū)域作為標(biāo)記，因?yàn)镈NA甲基化是表觀遺傳修飾中最具有代表性的一種形式，已經(jīng)被證明是穩(wěn)定的而且可遺傳。同時(shí)，還要有代表DNA序列變化的遺傳標(biāo)記進(jìn)行對(duì)比，他們選擇了拷貝數(shù)變異（copy number variation, CNV），這也是一種穩(wěn)定的遺傳標(biāo)記，并且通常都與某些表型特征相關(guān)。至于物種選擇，他們選擇了達(dá)爾文雀中的6個(gè)物種。

圖2 被選擇的達(dá)爾文雀和它們之間的進(jìn)化關(guān)系（圖片來(lái)自Skinner et al. 2014）

結(jié)果可以說(shuō)是既有驚喜，也有意外。驚喜的是DNA甲基化區(qū)域果然隨著物種分化時(shí)間的增加而積累，并且有很強(qiáng)的正相關(guān)，這表明它們能夠在幾百萬(wàn)年的時(shí)間里長(zhǎng)期存在并很有可能參與了物種形成的過(guò)程。而且，通過(guò)對(duì)甲基化區(qū)域的基因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)很多基因都是與鳥(niǎo)喙發(fā)育的BMP通路有關(guān)的，而我們知道達(dá)爾文雀的各種各樣的喙正是它們的一個(gè)標(biāo)志。所以，這更加暗示了表觀遺傳修飾在物種的形態(tài)變遷中起重要作用。而稍微有點(diǎn)意料之外的是，DNA甲基化的積累居然多于CNV的數(shù)量，難道表觀遺傳修飾比DNA序列改變更重要？這簡(jiǎn)直難以想象。
當(dāng)然，這個(gè)研究只是一個(gè)粗略的研究，其中還有很多缺陷。顯而易見(jiàn)的是，它采用了CNV作為遺傳標(biāo)記，忽略了龐大數(shù)量的點(diǎn)突變（例如單核苷酸多態(tài)性）和其它DNA序列變異；在表觀遺傳修飾的選擇上也沒(méi)有考慮到其它幾種類型。它的統(tǒng)計(jì)分析也存有爭(zhēng)議。但是，它的主要結(jié)論給予了進(jìn)化生物學(xué)家和生命科學(xué)愛(ài)好者更多的思考，即表觀遺傳可能確實(shí)在生物進(jìn)化中起重要作用。

圖3 DNA甲基化和CNV隨物種分化時(shí)間的積累(圖片來(lái)自Skinner et al. 2014)

讓我們回顧一下整個(gè)邏輯鏈條，首先，存在一種有別于遺傳變異的表觀遺傳修飾，能夠在不改變DNA序列的情況下影響生物的表型并穩(wěn)定遺傳下去；其次，實(shí)驗(yàn)表明表觀遺傳修飾可以由環(huán)境誘發(fā)，即環(huán)境可以直接影響表型；再次，表觀遺傳修飾可以隨著生物進(jìn)化的時(shí)間積累。最后，它們還可能與重要的表型功能相關(guān)?？偨Y(jié)起來(lái)，一個(gè)與現(xiàn)代進(jìn)化生物學(xué)理論截然不同的進(jìn)化機(jī)制似乎呈現(xiàn)在我們面前，拉馬克主義的春天要到了么？

參考文獻(xiàn)
Crews D, et al. 2007. Transgenerational epigenetic imprints on mate preference. Proc Natl Acad Sci USA. 104(14):5942-5949.
Skinner MK et al. 2014. Epigenetics and the evolution of Darwin's finches. Genome Biol Evol. 6(8):1972-1989.

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