世界上的生物体个头大小千差万别，甚至亲缘关系很近的物种间，也有成百上千倍的差别。大家最熟悉的是猫和老虎，二者长得很像，属于同一个科，猫科，体重差别上百倍。几年前，Science报道了像水牛一样大的老鼠（ A Rodent as Big as a Buffalo ）。这些个头差异是怎样进化的呢？看过一些恐龙记录片的网友大概知道，恐龙时代，哺乳动物的祖先刚出现在地球上时，大小就像现在的老鼠。恐龙灭绝后，哺乳动物的个头猛增，出现了像猛犸象、鲸鱼之类的巨兽。 最近PNAS发表的一项研究显示，陆地动物体重增加一千倍大约需要5百万代，水生动物（如鲸鱼）快一些，需要大约3百万代。更有趣的是，作者发现，个体变小得进化就快多了，比变大相同倍数所需的时间快了10倍以上。也就是说，大动物中进化产生小动物很容易，但小动物中进化产生大动物就难了。 为什么变小容易、变大难呢？由于无法访问全文，暂时不知道作者有没有深入讨论其中的原因。我做一点猜测，大家一起讨论。 进化快慢可能的决定因素存在于生物进化的三个基本方面：一是基因突变，二是自然选择，三是随机漂变。 会不会个体大的突变发生频率远低于个体变小的突变呢？我认为这种可能性不大。一些影响个体大小关键基因，活性增强突变会使个体变大，活性减弱突变会使个体变小。这一问题，我们可以从癌症研究中获得一些启示。癌症的发生，既有原癌基因活性增强的突变引起的，也有肿瘤抑制基因活性减弱的突变引起的。也就是说，现有的正常基因，活性变强和活性变弱的突变都很常见，虽不敢说绝对相同，至少可以说差别不太大。 另一种可能就是，变大和变小的突变虽然在自然界中以类似的频率出现，但变大的突变比变小的突变适应环境的可能性小。大的容易被淘汰，小的容易活下来。想想自然界养活一种大象需要一个什么样的生境（或专业一些，生态位），而养活一种老鼠又需要多少空间和资源。变大的突变使自己进化的路越来越窄，变小的突变使自己进化道路越来越宽。小个子们高兴一下吧，我们有进化优势（开个玩笑）。 最后一种可能，随即漂变。生物界存在这样一个规律，生物体个体越大，有效种群越小，自然选择的效率越低，随机因素对进化的影响越大（这里面的背景知识，请查阅种群遗传学有关书籍）。使个体进一步变大的突变，即使有利于个体的生存和繁衍，也不一定能在自然选择中保留下来。相反，个体变小，随机因素的作用变弱，只要变小的突变有利就会很快在种群中扩散。但我认为这种可能性不大。感觉新变异对现有种群大小的影响不会太大。 参考文献 Richards S, There and Back Again. http://the-scientist.com/2012/02/01/there-and-back-again/ 。 Evans AR et al. The maximum rate of mammal evolution. PNAS http://www.pnas.org/content/early/2012/01/26/1120774109.abstract
生物体分为多个层次，如何用计算机语言去描述这些层次是系统生物学的一个重要任务。此篇文章，作者提出了一个多层次的模型，不仅可以用来描述细胞之间的通信，也可以描述细胞内部复杂的生物化学事件。该文章除了遵循已有的语义学语法外，还提出了 nested species 的概念，由此我们可以将一些基本的 species 作为一个整体来考虑，因此增加了 multi-level 的灵活性。设计良好的生物体系描述语言有助于更好的理解生物系统的工作原理。 文章详见：http://www.biomedcentral.com/1752-0509/5/166
一对鹤发童颜的老人，簇拥在满堂的儿孙中间，其乐融融。这是中国传统的幸福观念，国人几千年来的追求。 然而现实与梦想总是保持很大距离。现代人相对于祖辈们，可以说健康长寿了，但儿孙满堂的幸福却没有了，取而代之的是孤独的晚年。 最新研究发现，未开化的动物们也是如此。健康长寿和儿孙满堂之间只能二选一。 细胞内有一类蛋白质，叫分子伴侣（molecular chaperones）。这些蛋白质多才多艺。它们的基本功能是辅助蛋白质折叠。但同时，它们参与细胞对抗冷、热、DNA损伤等各种不良刺激。如果细胞中分子伴侣表达水平高，也就是这些蛋白质多一些，细胞就“身强力壮”、不怕各种小灾小病。而分子伴侣少的细胞，那就是弱不经风、整天病病歪歪了。 那就提高分子伴侣的表达量吧。研究发现，提高分子伴侣的表达量确实可以使线虫健康长寿。但同时，分子伴侣的增加降低了线虫的繁育能力。在不良环境中，分子伴侣多的个体，身强力壮，是一大优势。但如果环境条件优越，分子伴侣少的家族才会人丁兴旺。自然界没有永远的温柔乡、也没有永远的逆境。环境不断变化，不同特征的生物体也就十年河东、十年河西。 我猜测，人类、大象等动物，长寿的进化过程中可能就是以降低生育率为代价。 参考文献： Ruth Williams (2011) The Tradeoff of Stress. http://the-scientist.com/2011/12/15/the-tradeoff-of-stress/ M. Olivia Casanueva, Alejandro Burga, and Ben Lehner (2011) Fitness Trade-Offs and Environmentally Induced Mutation Buffering in Isogenic C. elegans. Science
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