郭建崴

生物統(tǒng)計學(xué)派的不屈

前文提到，孟德爾之所以能夠發(fā)現(xiàn)兩大遺傳定律，一個重要的原因是他運用了統(tǒng)計學(xué)等數(shù)學(xué)手段來分析生物學(xué)上的雜交問題。從這個意義上來說，他也是一位出色的生物統(tǒng)計學(xué)家、甚至是先驅(qū)之一。只是在他發(fā)表《植物雜交試驗》那篇論文的時候，生物統(tǒng)計學(xué)的系統(tǒng)方法還沒有建立起來。

最早試圖把統(tǒng)計學(xué)的理論應(yīng)用于解決生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和社會學(xué)領(lǐng)域的有關(guān)問題，從而提出生物統(tǒng)計思想的學(xué)者是比利時數(shù)學(xué)家凱特萊（Lambert Adolphe Quételet，1796～1874）。

隨后，達爾文的表弟高爾頓（Francis Galton，1822－1911）最早進行了系統(tǒng)、定量統(tǒng)計生物性狀的工作。1859年《物種起源》一書的出版引起了他對人類遺傳的興趣，高爾頓隨即興致勃勃地將表兄的理論應(yīng)用于人類身上，并且創(chuàng)立了“優(yōu)生學(xué)”（在1883年《人類才能及其發(fā)展的研究》一書中首創(chuàng)“優(yōu)生學(xué)”這一術(shù)語）。受當(dāng)時科學(xué)水平及西方政治思潮的影響，高爾頓的許多觀念和結(jié)論在今天看來錯誤百出，但是他在多個領(lǐng)域所作出的開創(chuàng)性的巨大成就，使其得到世界公認(rèn)并獲得許多獎勵與榮譽——例如，他雖非出身于心理學(xué)，但是對心理學(xué)早期發(fā)展的影響力卻一般被公認(rèn)比同時期任何一位心理學(xué)家都要巨大而深遠(yuǎn)；他在1884年創(chuàng)設(shè)了人類測量實驗室；1889年，他在《自然的遺傳》一書中通過對人體身高的研究，指出子代的身高不僅與親代的身高相關(guān)，而且有向平均值“回歸”的趨勢，因而提出了“回歸”和“相關(guān)”的概念和算法，奠定了生物統(tǒng)計學(xué)的基礎(chǔ)；1901年，他與其弟子皮爾遜（Karl Pearson，1857-1936）以及生物學(xué)家威爾頓（Raphael Weldon，1860-1906）共同創(chuàng)辦了《生物測量學(xué)》（Biometrika）期刊，該刊時至今日依然是統(tǒng)計學(xué)理論的首要刊物；他在1904年捐贈基金在倫敦創(chuàng)辦優(yōu)生學(xué)實驗室；1909年他獲授爵士封號。

作為統(tǒng)計學(xué)家，皮爾遜擁有超越于高爾頓的數(shù)學(xué)技巧，在發(fā)明了許多統(tǒng)計分析方法的基礎(chǔ)上，從理論層面證明自然選擇對動物群體會產(chǎn)生持久的影響。威爾頓則從多項野外研究中為皮爾遜提供佐證。例如，他對螃蟹體型與死亡率的相關(guān)性作了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在沉積物含量比較高的水體里較大體型的個體比較小體型的個體更易于存活；而且經(jīng)過若干代之后，積累下來的選擇作用會使螃蟹群體的平均體型變大。而在此之前，他曾經(jīng)測量過不同地區(qū)蝦的各種性狀，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出正態(tài)分布的連續(xù)曲線——這被許多同行認(rèn)為是奠定生物統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)的一項實驗性研究。

即使到了孟德爾定律被重新發(fā)現(xiàn)、由不連續(xù)突變引起進化的突變論思想興起之時，皮爾遜和威爾頓以及他們所代表的生物統(tǒng)計學(xué)派仍堅持達爾文“微小的、連續(xù)的變異是進化的基礎(chǔ)，自然選擇建立在連續(xù)變異基礎(chǔ)上”的觀點，因而與孟德爾主義針鋒相對，認(rèn)為不連續(xù)變異是沒有意義的異?，F(xiàn)象，連續(xù)變異才是重要的。不過很快，皮爾遜的同行好友猶勒（George Udny Yule，1871-1951）就在1902年的一篇論文里提出，生物統(tǒng)計學(xué)派所測量的連續(xù)變異與孟德爾定律并非水火不容。

遺傳學(xué)隨后的蓬勃發(fā)展逐漸顯示出，遺傳規(guī)律實際上比孟德爾主義者最初設(shè)想的狀況要復(fù)雜得多。到了1909年，瑞典育種學(xué)家尼爾森（Herman Nilsson Ehle，1873-1949）首次用實驗證實了接近連續(xù)變異的性狀可以按孟德爾方式遺傳下去。

尼爾森利用小麥的兩個品種進行雜交，其一是紅色種子，另一是白色種子。雜交后代出現(xiàn)的紅/白比例不是按孟德爾第一定律所預(yù)期的3比1而是63比1；并且后代的種子顏色從深紅至淺紅、到白里透紅、最后直至白色——雖然顏色的變化仍然不完全連續(xù)，但相鄰兩種顏色的差別已經(jīng)不明顯。尼爾森根據(jù)實驗結(jié)果推測，小麥種子的顏色是由3對分離的、獨立遺傳的因子遵循孟德爾定律同時控制的。他進一步推斷，如果某個性狀被10對遺傳因子控制，那么該性狀就會有6萬種不同的表現(xiàn)型出現(xiàn)，它們之間的差異將會小到忽略不計，因而呈現(xiàn)出連續(xù)變異的狀態(tài)。

幾乎同時，伊斯特（Edward Murray East，1879-1938）和愛莫森（Rollins Adams Emerson，1873-1947）通過研究玉米的連續(xù)變異性狀的遺傳，以及其他學(xué)者通過對煙草的連續(xù)變異性狀遺傳以及對人體膚色遺傳等方面的研究，同樣得出了單一性狀可以由多對遺傳因子（基因）控制的結(jié)論。這樣，就為解決連續(xù)變異性狀的遺傳與孟德爾式的遺傳之間的矛盾打開了一個關(guān)鍵性的突破口。

隨后，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了有關(guān)基因之間存在相互作用，并影響到生物的外部性狀的情況，其中最特殊的一種相互作用是基因的多效性，即一種特定的基因能夠直接或間接地影響若干不同的性狀。這樣，通過發(fā)現(xiàn)多基因遺傳——多個基因同時控制單一性狀，以及基因的多效性，科學(xué)家相信一切遺傳現(xiàn)象都能夠從可分離的、不連續(xù)的基因角度去解釋。從而，連續(xù)變異現(xiàn)象找到了符合孟德爾原理的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，也使達爾文主義的進化論擁有了堅實的遺傳學(xué)支撐。

自此，在短短的幾十年內(nèi)，形成了一種基于漸進化、自然選擇和種群思想，同時又符合已知的遺傳學(xué)機制，此外還考慮到隨機因素和環(huán)境因素影響的綜合的進化理論。這一綜合的過程，群體遺傳學(xué)至關(guān)重要。

群體遺傳學(xué)

群體遺傳學(xué)的創(chuàng)建離不開三個人：費雪（Ronald Fisher，1890-1962）、萊特（Sewall Green Wright，1889-1988）和霍爾丹（1892-1964，Haldane，John Burdon Sanderson）。

1909年，費雪進入劍橋大學(xué)，3年后獲得數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)。期間，他學(xué)習(xí)到了孟德爾遺傳學(xué)，同時受到當(dāng)時兩位著名的統(tǒng)計學(xué)家皮爾遜和戈塞（William Gosset，筆名“Student”）的影響，也感受到生物統(tǒng)計與發(fā)展中的各種統(tǒng)計方法具有的潛力——能夠?qū)ⅰ安贿B續(xù)”的孟德爾定律（例如人類的ABO血型）與“連續(xù)”的多基因遺傳（例如人類的膚色）以及“漸進式”的達爾文進化論結(jié)合起來。

費雪在1916年寫出《根據(jù)孟德爾遺傳方式的親屬間的相關(guān)性》這篇論文并在1918年發(fā)表，建立了以生物統(tǒng)計為基礎(chǔ)的遺傳學(xué)，提出了著名的統(tǒng)計學(xué)方法——變異數(shù)分析（也稱方差分析）。這篇論文還揭示，一些具有連續(xù)性變異的遺傳特征可以符合孟德爾遺傳定律。1930年他出版了《自然選擇的遺傳學(xué)理論》一書，將達爾文的進化論與孟德爾的遺傳學(xué)理論統(tǒng)一起來，這種統(tǒng)一后來被稱為“現(xiàn)代綜合論”（modern synthesis）。方方面面的科學(xué)貢獻讓費雪從當(dāng)時到現(xiàn)代均盛名遠(yuǎn)揚，理查德·道金斯（Richard Dawkins）在2011年甚至將他贊譽為“達爾文最偉大的繼承者”。

由于深受物理學(xué)影響，費雪在構(gòu)建自然選擇的數(shù)學(xué)模型時作了一些抽象的簡單化假設(shè)，認(rèn)定只有大種群里才能發(fā)生有意義的進化，過小的種群由于缺少足夠多的遺傳變異而容易導(dǎo)致滅絕；從長遠(yuǎn)來看對于一個大種群的進化來說，自然選擇的作用是決定性的，隨機因素的作用很小。他還假設(shè)，新的基因突變產(chǎn)生的性狀變異通常很小，一般都處于一個物種的正常變異范圍；經(jīng)過自然選擇，優(yōu)勢突變的基因頻率才能夠在種群里逐漸增加，進而實現(xiàn)進化。

生物學(xué)科班出身的萊特1915年畢業(yè)于哈佛大學(xué)，隨后幾年在美國農(nóng)業(yè)部工作，分析豚鼠近親繁殖研究方面的數(shù)據(jù)以便指導(dǎo)牲畜改良。期間他研究出來的通徑系數(shù)法成為后來在行為遺傳學(xué)、社會學(xué)和經(jīng)濟學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的一種統(tǒng)計方法。1926年受聘芝加哥大學(xué)遺傳學(xué)教授的前一年，他已經(jīng)完成了《孟德爾群體中的進化》一文，不過這篇經(jīng)典性的長篇論文直到1931年才發(fā)表。

與費雪不同的是，萊特更加重視隨機因素在小種群中的作用，因為他在動物育種實踐中意識到，小種群中不同的基因常常會發(fā)生復(fù)雜的相互作用，尤其是近親繁殖可以產(chǎn)生在大種群里難以出現(xiàn)的基因組合，由此形成的變異有可能被隨機地保留和固定下來，這種狀況被稱為遺傳漂變。萊特認(rèn)為，在自然環(huán)境中大種群也可以被分隔為一些局部的小種群，遺傳漂變會在這些小種群里產(chǎn)生新的基因組合；進而，自然選擇的作用決定這些新組合的命運——優(yōu)勝劣汰，結(jié)果產(chǎn)生比費雪所設(shè)想的快得多的進化速率。

霍爾丹（圖片選自互聯(lián)網(wǎng)）

霍爾丹的主要貢獻同樣是把遺傳學(xué)和數(shù)學(xué)直接應(yīng)用于進化論的研究，1932年他將多年的研究成果總結(jié)為《進化的原因》一書出版。此外，他還發(fā)表了一系列人類遺傳學(xué)的論文，最早使用了“克隆”這一術(shù)語；他曾以實驗證明酶反應(yīng)服從熱力學(xué)定律，并在1930年出版了概括當(dāng)時酶學(xué)研究成果的著作《酶學(xué)》?；魻柕び绊懽顬樯钸h(yuǎn)的研究是關(guān)于生命起源的理論探索，他在1929年發(fā)表了《生命的起源》一文，認(rèn)為地球之初的自然環(huán)境與達爾文曾經(jīng)推測的截然不同，在達爾文認(rèn)為是“溫暖的小池塘”存在的地方，實際上存在的是“原始湯”——他與前蘇聯(lián)生物化學(xué)家奧巴林（Oparin Alexander Ivanovich，1894～1980）先后獨立地提出了非常相近的生命起源的化學(xué)發(fā)生觀點，認(rèn)為早期地球有一個還原性大氣圈，會有極少量的氧而富含碳與氫以及與氫容易結(jié)合的甲烷和氨，在閃電或火山的高熱量作用下，這些分子可以形成不同的有機分子，如烴類化合物和氨基酸，溶解在海洋中形成原始湯。隨著時間的推移，這些有機分子發(fā)生反應(yīng)形成復(fù)合物。一些有機分子及復(fù)合物被封閉在“油膜”中，形成最初的生命體。這種生命起源的原始湯假說，被稱為“奧巴林-霍爾丹假說”；對于最初的生命體，奧巴林將其命名為“團聚體”，而霍爾丹則稱其為“半生命體”。當(dāng)然，奧巴林與霍爾丹的分歧不僅僅是對最初生命體的稱謂。前者認(rèn)為生命活動最重要的過程是細(xì)胞代謝，蛋白質(zhì)是這個過程中最重要的組成部分，因此他及其追隨者也被稱為“代謝優(yōu)先”學(xué)派；而后者則認(rèn)為生命的關(guān)鍵在于基因?！@種狀況也從一個側(cè)面反映了當(dāng)時遺傳學(xué)在西方和前蘇聯(lián)所面臨的不同境遇。

回到群體遺傳學(xué)?；魻柕ぴ谝恍┚唧w問題上所持的觀點基本上是處于費雪和萊特之間。例如他創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型針對的是大種群以及單個基因的變化，與費雪相似，但同時他又認(rèn)為自然選擇對單個基因的作用過程有時會比費雪的推測快得多。他引用的最經(jīng)典案例就是英國樺尺蛾的工業(yè)黑化現(xiàn)象——1848年，英國的昆蟲學(xué)家在工業(yè)城市曼徹斯特附近采集到了第一只黑色翅膀的樺尺蛾，而此前所有這種昆蟲的翅膀都是淺灰色的；霍爾丹假設(shè)此時黑色樺尺蛾在整個種群中的比例是1%，到了1902年，53代之后的樺尺蛾黑色個體的比例已經(jīng)幾乎是100%，計算結(jié)果顯示，這樣的進化過程意味著每一代黑色個體的存活率比淺灰色個體平均高1.5倍，如此高的選擇強度在費雪的模型中是不可想象的。后來，霍爾丹也獨立地產(chǎn)生了對基因之間相互作用重要性的認(rèn)識，但是他認(rèn)為大多數(shù)種群在通常情況下不分隔為小種群，因此遺傳漂變的作用從長遠(yuǎn)來看是有限的，這一點又區(qū)別于萊特的觀點。

樺尺蛾的黑（上圖）與灰（下圖）（圖片選自互聯(lián)網(wǎng)）

除卻這些具體問題，群體遺傳學(xué)家們在總體認(rèn)識上一致認(rèn)為，生物進化實質(zhì)上是一個種群內(nèi)部基因頻率改變的過程。如果產(chǎn)生了一個對生物體有利的基因突變，不論優(yōu)勢多么微弱，只要時間足夠長，其都會經(jīng)自然選擇的作用而逐漸積累并最終擴散至整個種群；如果知道了這個優(yōu)勢的適應(yīng)度大小，就能夠計算出這個基因頻率的增長速率。同時，自然選擇也不會像摩爾根所認(rèn)為的那樣必然淘汰有害的基因突變，如果有害基因突變是隱性的，自然選擇只能降低這個基因頻率而不會徹底消滅它；尤其是在雜合體比純合體具有更大生存優(yōu)勢的情況下，自然選擇會使兩個等位基因保持某種平衡的比例——這被稱為平衡選擇。再者，基因突變是以某一速率隨機發(fā)生的，即使沒有優(yōu)勢也會以很低的頻率在種群中出現(xiàn)并流通；當(dāng)環(huán)境發(fā)生了改變，這些本無優(yōu)勢可言的基因突變有可能成為適應(yīng)于新環(huán)境的優(yōu)勢者，受到自然選擇的“青睞”。因此，遺傳多樣性的保持對于一個種群的長期生存是有利的——這一點不僅對進化論來說非常重要，而且也是現(xiàn)代保護生物學(xué)的重要理論基礎(chǔ)之一。

遺傳學(xué)發(fā)展至此，進化論的一個新的篇章即將揭開。請關(guān)注下期——現(xiàn)代達爾文主義。