楊秀英

科研領(lǐng)域的“全才”

2013年11月，在日本京都市的一間大型音樂廳里，京都獎的第二十九屆頒獎典禮如期舉行，美國科學(xué)院院士、賓夕法尼亞大學(xué)生物學(xué)教授根井正利獲得了其中的基礎(chǔ)科學(xué)獎，以表彰他在分子水平上對進(jìn)化理論的開拓性探索。

京都獎是一項(xiàng)重量級的國際科學(xué)大獎，它由日本企業(yè)家稻盛和夫創(chuàng)立，由日本企業(yè)稻盛集團(tuán)主辦，每年評選一次，設(shè)置三個獎項(xiàng)，分別授予全世界在尖端技術(shù)、基礎(chǔ)科學(xué)和思想藝術(shù)領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家或藝術(shù)家，有“日本諾貝爾獎”之稱。每一位京都獎的獲獎?wù)呖梢缘玫?000萬日元的獎金，相當(dāng)于300萬人民幣。

作為一位美籍日裔獲獎?wù)?，根井正利的演講被安排為頒獎典禮的壓軸節(jié)目，日本王妃高圓宮久子、企業(yè)家稻盛和夫以及眾多日本外交官親臨捧場。在眾人的掌聲中，82歲的根井正利緩緩登臺，他用一面巨大的屏幕播放幻燈片，試圖向熱切而尊貴的觀眾展示開拓性的研究技術(shù)以及革命性的進(jìn)化理論。這時，根井正利卻遇到了一個小小的技術(shù)故障——他的幻燈片開始隨機(jī)地“前進(jìn)”或“后退”，完全沒法控制。處理無果后，根井正利有些尷尬地對他的觀眾開玩笑說：“我總是追求理論，而不是實(shí)用性”。

其實(shí)，在根井正利的整個科研生涯中，他的“理論”和“實(shí)用性”做得都不錯。比如，根井正利早期所做的農(nóng)業(yè)研究就很實(shí)用，后來他通過統(tǒng)計學(xué)從分子水平上分析生物進(jìn)化的機(jī)制，這又涉及到非常高深的數(shù)學(xué)和計算機(jī)理論。1972年，根井正利發(fā)明了如今仍在被廣泛使用的“根井標(biāo)準(zhǔn)遺傳距離”計算公式，可以比較不同生物種群關(guān)鍵基因的分化程度，從而估算這些種群在多久之前進(jìn)化出了“分支”。20世紀(jì)90年代，他又設(shè)計了“分子進(jìn)化遺傳學(xué)分析”軟件（簡稱“MEGA”），這款軟件功能非常發(fā)達(dá)，是生物科研領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的計算機(jī)程序之一。

可以說，根井正利大部分研究成果都是“理論”和“實(shí)用性”的完美結(jié)合。從“動腦”和“動手”的角度來說，根井正利算得上是科研領(lǐng)域中的“全才”了。

生物進(jìn)化的“中性理論”

前面提到，根井正利最初所做的研究是農(nóng)業(yè)科學(xué)，那么他后來又為何成為了一名進(jìn)化生物學(xué)家呢？這其實(shí)與另一位日本生物學(xué)家木村資生有關(guān)。

1931年，根井正利出生于日本宮崎縣，22歲時畢業(yè)于宮崎大學(xué)農(nóng)學(xué)系，1959年，在京都大學(xué)獲得農(nóng)學(xué)博士學(xué)位。隨后，根井正利來到日本國立放射學(xué)研究所任職，研究農(nóng)作物的育種，頻繁接觸到群體遺傳學(xué)的知識。群體遺傳學(xué)是一種用數(shù)學(xué)研究群體中的基因變化動態(tài)的科學(xué)，美國在這一領(lǐng)域的水平比較高。木村資生恰好從美國留學(xué)回來，同時也是精通群體遺傳學(xué)的著名學(xué)者，根井正利便常常向他請教和探討問題。根井正利結(jié)識木村資生不久，后者便創(chuàng)立了一種新的進(jìn)化理論——“分子進(jìn)化中性學(xué)說”，簡稱“中性理論”。

在20世紀(jì)60年代以前，學(xué)術(shù)界最推崇的進(jìn)化理論是達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說。在《物種起源》這篇巨著中，達(dá)爾文指出，自然界現(xiàn)存的各種各樣的生物，是由其共同祖先經(jīng)過自然選擇進(jìn)化而來的，物種在自然選擇下進(jìn)行生存競爭，導(dǎo)致“適者生存，不適者被淘汰”。在自然選擇下，對生存競爭有利的變異會保存下來，不利的變異被淘汰，長此以往，微小的變異積累為顯著的變異，就形成了新的亞種或新的物種。所以，達(dá)爾文及其學(xué)說的繼承者認(rèn)為，自然選擇塑造了生物的性狀。

然而，在木村資生看來，把一切進(jìn)化現(xiàn)象都?xì)w結(jié)為自然選擇是不妥當(dāng)?shù)?，因?yàn)樯锲毡榇嬖谥S多與適應(yīng)自然無關(guān)的性狀，比如人類眼睛的單雙眼皮、鼻子鼻梁的高低、頭發(fā)顏色的深淺等等。在一般情況下，很難說自然選擇對這些性狀的存在能產(chǎn)生多大的影響。這或許說明，即使沒有自然選擇，生物也會出現(xiàn)性狀的差異，也能形成進(jìn)化。為了不和達(dá)爾文學(xué)說產(chǎn)生太大的沖突，木村資生提出，生物存在兩種進(jìn)化模式：一種是發(fā)生在宏觀表型（基因等生物分子表現(xiàn)出來的整體性狀特征）水平上的進(jìn)化，它由自然選擇驅(qū)動;另外，還存在不受自然選擇影響的進(jìn)化，這種進(jìn)化發(fā)生在分子（比如基因、蛋白質(zhì)和核酸）水平上，它對生物個體是否適應(yīng)自然來說無所謂好壞，是呈中性的——這就是“分子進(jìn)化中性學(xué)說”。

“變異”驅(qū)動進(jìn)化

木村資生的“分子進(jìn)化中性學(xué)說”讓根井正利非常感興趣。于是，他于1969年離開日本，前往美國研究進(jìn)化生物學(xué)。在隨后的幾十年里，根井正利先是在布朗大學(xué)任教，后來陸續(xù)擔(dān)任得克薩斯大學(xué)休斯頓分校以及賓夕法尼亞大學(xué)的教授，并于1997年當(dāng)選美國科學(xué)院院士。經(jīng)過長期研究，根井正利成為“分子進(jìn)化中性學(xué)說”的代表人物，同時對于進(jìn)化生物學(xué)做出了許多革新。

比如，為了論證“中性理論”，根井正利利用統(tǒng)計學(xué)的知識建立了數(shù)學(xué)方程，利用計算機(jī)模擬生物分子的變異在生物傳代過程中的行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物分子的變異往往不影響分子（比如蛋白質(zhì)和核酸）的功能，也就是說它并不引起宏觀表型的改變，也不影響生物個體適應(yīng)環(huán)境的能力。所以，生物分子水平上的變異無利亦無害，呈中性，自然選擇對其無能為力。

但是，這些隨機(jī)的、不受自然選擇影響的中性變異會在生物傳代過程中通過遺傳被固定下來，或者消失。至于哪一種變異能夠保存下來，哪一種變異趨于消失，同樣也全靠機(jī)遇。根井正利將這種中性變異的隨機(jī)的變動稱為“遺傳漂變”。由于生物身體的每一部分都是由分子控制的，而分子的進(jìn)化是通過中性變異的“遺傳漂變”實(shí)現(xiàn)的，自然選擇并不起作用，所以，根井正利提出一種新的觀點(diǎn)：生物進(jìn)化的驅(qū)動力是變異，而非自然選擇。

又比如，構(gòu)建“進(jìn)化樹”是理解生物進(jìn)化史的重要方法，為此，根井正利發(fā)明了一種計算機(jī)算法，可以通過比較不同物種之間關(guān)鍵基因的差異來快速構(gòu)建進(jìn)化樹，相關(guān)的論文如今已經(jīng)被引用了超過3.4萬次。另外，“根井標(biāo)準(zhǔn)遺傳距離”計算公式以及“分子進(jìn)化遺傳學(xué)分析”軟件都是根井正利發(fā)明的新型研究方法，在進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

獲得京都獎后，根井正利被問及自己成功的秘訣。他提到，獨(dú)立思考，勇于質(zhì)疑教條和拋棄先入為主的觀念，這才是最重要的科學(xué)素養(yǎng)。正是由于不迷信達(dá)爾文，他才在進(jìn)化生物學(xué)的研究道路上越走越遠(yuǎn)，最終獲得成功。