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二号站平台分子钟是什么?

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自查尔斯·达尔文认识到所有生命的亲缘关系以来的150年里,科学家们一直在努力实现他的完整生命树的梦想。今天,追溯进化分支的方法已经超越了达尔文的预期。许多生物学领域的科学家使用一种叫做“分子钟”的技术,通过阅读生物基因中的故事来解读过去。
 
在最大的范围内,分子钟使古生物学家能够揭示数百万年进化的故事。在最小的范围内,流行病学家能够追踪疾病在短短几十年内的传播。
 
确定物种起源的年代
 
分子钟有时被称为“进化钟”或“基因钟”,它以遗传的生物学概念为基础:所有生命都以遗传分子(通常是DNA)的形式遗传上一代的信息。由于这种物质会随着时间的推移而逐渐改变,所以它可以用来测量进化事件发生的时间。
 
一个通过时间传递信息的比喻可以说明这个概念。想象一下,在一座与世隔绝的寺庙里,2号站注册登录一本古书被一代又一代的僧人抄写下来。有一年,一个和尚决定冒险进入世界,他发现了一个新的修道院,带着一本书。
 
他继续抄写这本书,以保存它的时间和小错误不可避免地滑入。这些不会改变书中的意思,所以它们不会被注意到或更正,随后的副本会逐渐积累变化。
 
几个世纪后,一位研究人员偶然发现了这两座寺庙,并得出结论:它们曾经有一个共同的起源,因为它们都有一本非常相似的书,不可能是独立起源的。她想知道每本书的历史是在什么时候出现分歧的,并研究这两本书的不同之处。她已经研究了很多文本,知道这些差异(主要是拼写上的差异)随着时间的推移会以相当稳定的速度突然出现。
 
她发现每一页的文本有100处不同的变化,从这些变化中她计算出这些书在大约500年前有一个共同的起源(100处变化,每一处需要10年的时间出现,所有这些变化都除以2,因为不同之处积累在两本不同的书“谱系”中)。
 
我们的比喻书代表了基因组,每一章都是一个基因,它本身由核苷酸a、T、C和g的序列组成。这些变化是基因突变。
 
对DNA的意义没有影响的变化是中性突变,这些突变可以积累在遗传密码中,而不会通过自然选择得到纠正或抛弃。既然我们能读懂遗传密码,我们就能在这个基本层面上比较物种并推断它们的进化史。
 
DNA中不确定的滴答声
 
然而,生物学的复杂性使得分子时钟的齿轮比预期的更精密。进化的三个方面会误导分子时钟。
 
进化可以是趋同的,不同的物种独立进化,看起来很相似,这很容易让人误以为它们是近亲。例如,认为鲨鱼和海豚是近亲是错误的,因为它们看起来很相似。它们只是有相似的栖息地、猎物和生存压力,所以它们聚集在一起,看起来有点相似。同样的情况也会发生在DNA上。
 
一些基因可以快速进化,变化可能相互覆盖(“饱和”),违反了变化量和时间量之间的比例关系。
 
基因组的某些部分偶尔会复制、丢失,甚至在亲缘关系较远的生物体之间转移(水平基因转移),这可能会使同类间的比较变得困难。仔细选择我们的数据,尽量减少这类偏差。
 
另一个问题是基因变化的速度并不总是一致的。基因组的不同部分以不同的速度进化,这些速度也随着时间的推移而改变。解决办法是将已知数量的遗传变化固定为已知数量的消失时间:化石校准。对于一些血统,我们知道他们多久以前有一个共同的祖先,因为我们有那个祖先的化石,通过像放射性年代测定这样的技术,我们可以知道它生活了多久。
 
通过了解两个世系间遗传变异的时间和数量之间的关系,我们可以将这种关系推演到进化树的其余部分,并估计出其他变异发生的时间。

鉴于化石年代测定的不确定性和进化变化的速度,分子钟不能提供高水平的精确度,但如果正确使用,它仍然可以证明是准确的:精确度的缺乏合理地反映了我们对过去的不确定性。毕竟,物种形成本身不是在一瞬间发生的,而是在相当长的一段时间内发生的。
 
例如,说黑猩猩和人类在8,028,519年前分道扬镳,不如说它们在8,000,000年前,正负300,000年前分道扬镳有用。这种不确定性可以通过有效使用校准和充分利用现有数据来最小化。
 
应用和发展
 
分子钟为跨越短时间和长时间的进化提供了一种叙述。2012年,研究人员得出结论,印度的艾滋病在40年前有一个共同的祖先,他们可以据此推断艾滋病的传播。这为医疗政策提供了信息,有助于预测疾病将在何处传播,并允许先发制人和有效地部署资源,从而挽救了无数人的生命。
 
古生物学家利用分子钟技术揭开了历史的面纱,通常是在化石记录不佳的群体中。例如,企鹅被认为是最近的(地质学上的)祖先的后代,大约2000万年前,而现在已知的第一个复杂的细胞生命是在12亿年前从细菌谱系中出现的。这些例子提供了对过去环境和生态条件的有价值的见解,并扩展了我们对进化动力学的知识。
 
随着我们对进化论理解的不断推进,我们离达尔文关于生命之树的全面草图的愿景更近了一步。如果他能从坟墓中跳出来,他会为所取得的成就而高兴,他会仔细研究河马和鲸鱼之间相对较近的亲缘关系的细节,以及细菌和线粒体之间真正古老的联系。有了分子钟,我们不仅可以在生命之树上建造,还可以清楚地看到它的枝干和树根的深度。

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