[音乐]
这个是我要花比较多的时间来讲的 natural selection。
自然选择 是达尔文演化理论里面的核心内容
也是我今天要讲的这个重要的内容之一吧。
我们来看看啊,自然选择它的这个 定义,这个我也给它简化了,因为
有的时候定义特别抽象,我觉得特别不好理解,我就给大家翻译成大白话。
什么是自然选择?自然选择是生物在自然界生存竞争中
能够适应下来,他就能够被留下来 他如果不能够适应下来,他就被淘汰的这样的现象。
自然选择还有第二个比较微观的定义, 就是说在一个群体里头,它有等位基因
那些适合于这个 生存的,适合于繁殖的那些等位基因
能够被传递下去,那么相对来说,另外一些不适应的那些等位基因就被淘汰。
所以它是一个等位基因不均等的一个传递的过程, 这叫自然选择。
啊,所以这个一讲,大家说了这肯定是一个很强的 driving
force 自然选择是有方向的,它这个方向就是适应,明白了吧?
为什么我刚才,又回到我刚才那个问题啊,所以演化没有方向,你们今天看到的确实有这样一个
趋势的现象,自然选择在里面起了非常非常重要的作用。
我们下面就来具体讲讲这个自然选择。
自然选择的后果是什么呢?是适应,
我刚才一直在讲,适应,适应,其实那个同学回答的问题里面也涉及到这个适应。
什么叫适应?我们讲的这个适应,啊,英文是 adaptaion
跟你们平时说,哎呦,说这个同学他这个适应性很强啊 两码事,哈,不是一样的概念。
这个适应必须是 要能够使得这个生物顺利地在自然环境当中成功地繁殖
也就是说他必须要留下后代,要成功地留下后代。
如果他,他身体很强,他打架很厉害,啊
把别人都给打败了,他留不下后代来 对不起,这不是适应。
适应最终的 所以这个augments,这个衡量
是否你适应的标准,就是能,能否留下后代。
这是唯一的一个标准, 留下后代。
当然你说你活得累不唧唧的,那个半途就死了啊 那个,那个身体不好啊,或者是这种
也,也,也算吧,但是最终你总要有一个衡量的标准,是吧?其实就是适应。
所以衡量适应是有一个量化的标准的, 叫适合度,英文叫 fitness,用这个小 f 来表示。
就是它可以定量地来衡量一个生物 适应程度如何,这是一个相对的。
我讲啊,一定要相对的,就像刚才那同学说他在一群生物当中,他必须要跟别的
相关的生物来比,也就是说他能够留下后代的这个程度 你是可以用从
0 到 1 的,1 的话就是 最厉害的,0 的话就是没有,什么都没留下。
记住了,啊,这个下面我还要反复地提到这个 适合度。
再强调一下啊,它是一个 相对的,它只是拿一个特征跟另外一个特征比,拿一个含有一个特征的个体
和含有另外一个特征的另外一个个体比,所有的这些今天讲的都是相对的概念。
下面给大家介绍一下自然选择的类型。
这也是比较 概括性的,讲一些主要的,这个定向选择
我们如果按照微观的那个定义来,啊,就说
某种等位基因被留下来,那另外一些等位基因就被淘汰。
所以你看到的现象就是往整个在一个种群当中
这根线,这个等位基因,被选择下来的等位基因不断增加,我们来形象地来画一个 curve。
如果说这是一个 性状的频率或者等位基因的频率,这是这个等位基因决定的特征,比如说身高啊
比如花的颜色之类的,你可以画一个这样 分布的图,是吧?你
定向选择就是你只按一个方向走
比如说啊,往这个轴的这个方向被选下来,那这个轴的
这个横坐标的这个方向就会被选掉,打了向下的箭头就被选
淘汰掉,向上了选箭头就表示留下来。
那么你如果画这样一个图
随着时间的推移,有一种性状或者是这个 由这个等位基因决定的这个性状就不断地得到增强
这叫定向,它按照一个方向走,directional 英文叫 directional selection。
这个例子是被 教科书里面反复提到的一个例子,听说过吧?
在英国,工业化以后,Manchester 工业化城市里头
原来是一个白色的蛾子,就是你们看到的这个 浅色的
啊,然后慢慢地就变成这种深色的了,就是因为它工业污染以后
树上都被那个灰尘给覆盖 颜色变深了,被变深了啊。
所以这样一个现象在1848年的时候 首次被记录,就是人们那个时候看到,哎,这个浅色的蛾子变深了
那时候就非常少的这样深色的蛾子。
人们就不断地记录,这个是个很有意思的现象 连续记录了大概有个50年,
是吧?就发现它从原来很少的这种频率 到了98,98%
的频率 也就是说这个地方都是黑蛾子了。
就是因为它的整个树干,它的栖息地 被污染,颜色变深了,所以这个时间其实也非常短
对吧?差不少它一年一代的话也就个50年,50代 这么短的时间你就看到这么大的一个生物特征的变化。
这个变化到底说明了什么?它是不是自然选择的结果? 你是可以去做实验来验证的。
英国就有这么样一个科学家他来做了这样一个实验,啊,我把这个结果放在这个地方。
他是找了两块地方,一块地方是有污染的 比如说 Manchester,它这个树干都是黑色的了,他找了另外一个地方
没有污染,树干还是原来他们那个桦树,桦树那个树皮 很多物种都是白色的,他找了这么两块地。
然后呢他就把一些蛾子 捉来,捉来以后他先做点记号,
把它都放出去,过了一段时间呢,他再去把那个 蛾子再捉回来,就专门去数他那些做了记号的蛾子。
所以你看啊,在这个污染的地方,也就是说这个上半截的,这个表的上半截,
我有用黑色和红色把一些重要的数字给它标出来了。
它有一个相对成活率,这个相对成活率呢其实他是有,有这个公式去计算的
就说在它有一个理论值 那是可以算出来的,因为他有多少蛾子自己是有数的嘛。
然后他有一个观察值,就说他实际捉到的那些数。
所以你看他在这个相对成活率的话,其实是上面的这些数字 算下来的。
所以在有污染的地方浅色的蛾子的相对成活率是 0.5%,
而深色的蛾子它的相对成活率就超过 100%了 就是百分之,就是 115%。
我就说啊,所以这都是相对的,他这个数其实就是拿理论值 和实际观察值得到的一个比值。
那什么叫适合度,什么叫 fitness? fitness,就是我刚才说是相对的,他用什么来作为标准呢?就是拿这个
相对成活率里面最高的那个作为基数来比,所以这个 fitness
在深色的背景底下,浅色的蛾子它的 fitness
就是 只有0.43,而深色的蛾子就把它定为1。
啊,其实我刚才说了,啊,它是一个相对的,从0到1就是这么来的。
那么相反的在没有污染的这块地方,就是表格下面这个
你可以看到相对成活率里面,浅色的蛾子就高于 深色的蛾子。
那么相应地来说,它的 fitness 就是浅色的蛾子是 1,然后深色的蛾子就变成 0.55。
这是一篇论文,在 1956 年的时候发表在
伦敦有一个比较有名,就像那个 PNAS 那种性质的, 是它的那个
Royal Society,就是它的皇家学会的 proceeding 里面 发表的论文。
这个例子就很好地证明了 你从观察的角度也好,你从实验的角度也好,
就是说蛾子的颜色的变化其实是对它背景
变化的一种适应,是在自然选择底下产生的。
这是一个很好的例子,有观察,有实验。
directional,是吧,你可以看到这个力量非常强,50 年就搞定。
病原菌对抗生素的拮抗。
这个我要提醒一下大家,就是说你们如果是感冒了,你想去药店买抗生素,
买得着吗?没买过,买得着啊。
买不着,为什么买不着?
不是,它是这个,就像你们讲的,它是处方药, 抗生素是处方药。
其实在中国抗生素是 被滥用的程度非常大的一个国家。
就我们现在,是吧?你要去是买不着。
可是很多 饲养业,养猪啊、 养鸡啊,包括养鱼,
养虾,他们是用抗生素的,所以就为什么说农产品里面检测出有抗生素的残留呢, 就是这个道理。
这样做其实是非常危险的, 就是容易产生耐药性。
像现在青霉素,这是用的非常早的,是吧,一开始就是发现青霉素, 都有抗药性的细菌产生了。
那么现在也有一些广谱性的抗生素, 比如说待会儿我要给你们讲的,这就是近期的一个中国科学家的研究的这个结果。
他们呢是在,先是在上海,做了连续做了四年了, 就去比如说养猪场去采样,采细菌的样,
然后就去分离,看看里面有没有抗药性。
发现有抗药性了,就把这个抗药性的基因给它找到。
那么这个他们找到的基因就是 MRC-1,找到了这样一个基因。
他们从 2011 年开始,一直跟踪到 2014 年。
先在上海,然后再到广州,到这个饲养场,
到卖生肉的,就卖猪肉、 卖鸡肉的这些地方。
就除了饲养场以外,他还到这些地方去采样。
所以这个,这四年下来,他们就发现这个 MRC-1 这个基因的频率在不断地增加。
最后他们在 800 多个细菌的样里头,大概
看到了 166 个是含有这个基因的。
有个 20% 了吧,这个就非常高了。
然后他们还到医院里面,到病人身上去分离细菌,就在大肠杆菌里面先找到的。
然后就发现,大概有个 1%,已经到了病人的
这个身体里面的细菌里,这个也非常高。
我们来看一下它这个,这两个点点是什么意思。
就是说他把这个细菌给它转到大肠杆菌里面,
蓝色的呢是没有这个抗药性的细菌,红色的是有这个抗药性的 基因的细菌。
所以在正常情况底下,你如果不给它抗生素处理, 你可以看得出来谁占优势,蓝色的是没有这个抗抗生素的基因的。
其实在正常情况底下,含有抗抗生素的这个
细菌在生长速度方面是竞争不过不含抗药性的这个细菌的。
就细菌繁殖很快,所以你给它时间,它一下子就 overwhelmingly
这个打倒了这个没有耐药性的这个细菌。
可是你再看下面这个,这是给了它一种叫多粘菌素。
多粘菌素是一个特别广谱性的抗生素,在饲养业里面用的挺多的,因为它能抗很多 很多细菌。
所以你看啊,在这个 你给了它抗生素,其实你就给了它一种选择压力,对吧?
你看到这个红色的马上就生长速度,它这个
纵坐标是生长速度,就比不含这个耐药性的基因 速度要快得多。
所以这其实是非常危险的,这是就是 这个月刚发的,在《柳叶刀传染病》
上刚 online,中国科学家做的。
所以这个结果出来呢,就是大家
非常地担心,也有科学家站出来说你们不要这个过分地解读
这篇论文,什么叫不要过分地解读这篇论文,就得过分地解读,
这就是给我们敲响了一个警钟,你的抗生素真的不能滥用。
不光是你规定我们,让我们不要去 病了不要去买,不要去那个,一定要有大夫的。
所以现在这个抗生素它在医院里面 规定得非常严,严到什么程度啊,一个医院它有
就 proportion,它就你一年只能用这么多。
所以有的时候,我上次有一个朋友他去要开刀,
他就问,医生就问这个病人说,你自己能够弄到抗生素吗?
我们医院有定额的,所以你自己能弄到,我们就不用开了。
这个就有点过分了,我觉得这个是你不用 这么来做这件事情,该用的你要用。
但是真是,比如说像饲养场啊这些地方, 得规定一些很严格的措施来管理。
这就是先从饲养场里面,所以 人们这个里面就得出这个结论嘛,第一这个耐药性,这个基因
可能就是先从动物里面,就饲养场里面先出来的。
第二个,这个基因的,我们叫 horizontal
transfer, 水平转移速度非常快,它一下就从人
转到,一下就从动物,最初是从养猪场里面, 因为你要吃肉啊,比如说这个人要处理这些
是吧,整个杀猪这些过程是要人处理的, 很快就传到人群里面去。
所以不要觉得我反正给动物饲用没关系,就动物吃, 它要真正有抗药性的基因出来以后,水平转移还是挺快的。
这个还是挺吓人,所以大家要记住,不光是我们自己不要滥用,其实
国家还应该有很严格的规定来规定饲养业的这个抗生素的使用。
这是一个我是觉得非常 shocking 的一个例子,因为大家都说嘛,不能滥用啊,它要会有抗药性啊,
这就是一个非常有点令人震惊的一个例子,最近刚发生的。
如果你多粘菌素不管用以后, 你又得开发新的。
所以一般来说,你如果抗生素用的很多,你不断地加大这种选择压力的话,
你研发新的抗生素,和这个细菌能够产生 抗药性的这个速度,你赶不上它的。
还有一个例子呢就是,也挺有意思的,也是一篇小论文,是
这个讲在城市里面,因为城市里面还有一些鸟嘛, 它这个,它叫的这个频率的变化。
就说你这个城市越热闹,比如像北京这样的大城市啊,
在里面生活的鸟呢它那个鸣叫的频率就越高。
因为太低了也,它的同类听不见啊,是吧,可能这种 叫声,它可以来找配偶,它可以来找同伴啊,是吧。
这是一篇 Nature 的这个文章,你看啊大家对这个其实还是很
关注的,就是你可以看到这其实也是在比较短的时间里面。
对吧,这个生物就可以 adapt,在这种高频的选择压力底下,它可以
演化出一些适应性的性状。
第四个例子呢 我要讲一讲,这些都是你可以看到,都朝一个方向在演化。
DDT 的故事,这个可能大家也听说过。
DDT 是一个非常简单的一个
含卤素的这样一个分子,最开始的时候就是 有一个科学家他首先发现
这个小玩意儿能够抗虫, 能够杀虫,是一个非常广谱的杀虫剂。
它是对昆虫来说是一个神经性的毒剂,作用非常快的。
最开始他这个发现是被用在第二次世界大战里面,
第二次世界大战的一些战场在热带比较多,热带有很多 蚊虫是可以传染疾病的,比如说疟疾呀
就是很多,是吧,什么那个,还有一个,现在有一个叫什么登革热之类的 这些都是由昆虫来传播的。
这个你打仗的时候, 你士兵得了这些病,就叫非战性的减员
这个是非常忌讳的,所以它这个药,很快就被用到这个热带去灭蚊。
这些蚊子,这些昆虫灭完了以后,这些病也就传染不了了。
所以它这个效果非常好,世界大战结束以后
很快就转为民用,一开始是部队用,转为民用以后效果非常明显。
你看这个疟疾,它的整个的,就光拿印度来说,它疟疾在10年以内
从7000多万降到500万,这个不光是 救了大家的命,这个给国家来说也减轻了很大的负担。
所以这项发明是获得了诺贝尔奖的一个发明,
就是Muller这个人,1948年他是因为这个发明得了诺贝尔 生理医学奖,非常了不起的。
但是很快就产生了抗性, 你看从1945年开始用,到1970年
这一下子产生抗性以后,它就不 work了嘛,
疟疾很快就上升了, 上升的非常快,所以这就形成了一个恶性循环。
你产生抗性了,我再大剂量地用,大剂量地用,就是意味着,又是增加了它的选择压力,
就让它的抗性变得更强,所以这样的不断地循环的结果 对环境产生了很大的 这个后果。
这个DDT这个分子,你一看有苯环,还有氯在上面,
它在环境里面是非常非常难被降解的,别看它只有这么小的分子。
它的不断,在生物体内它也不能被降解,它会不断地被积累,
所以这个后果就是,对生物,因为它整个在食物链里面不断地
传下来,是吧,就是对生物产生了非常大的毒害。
这个美国的一个科学家,叫 Rachel Carson,thank you.
一位女科学家,她是海洋生物学家,她写了一本书叫 Silence Spring
《寂静的春天》,我不知道你们看过没有,那本书我经常翻,就是说你现在读那本书
你就感觉到就像现在写的,现在其实我们还存在同样的问题。
但是她是写了这本书以后
产生了很大的影响,一个影响就是她,其实她个人也顶了很大压力,你想
杀虫剂是多大的一个产业,这些杀虫剂的工厂,其实对她是非常头疼的。
她经常收到一些含有子弹的信之类的。
但是还有一个影响就是比较正面的 就是政府意识到这件事情,政府要求科学家来评估这件事情。
所以最早做出反应的其实就是美国,1972年 美国就不让DDT在农业方面应用了。
在农业方面应用,就是你拿个飞机,大田地洒,就是在室外用,这个就不允许了。
所以这个还是一个,我觉得
比较快速的一个反应,这个其实是要有一定的魄力的,我觉得美国这件事情
做得还是挺好的,尽管他们用也用得很多,一开始
我们国家到了09年 做出了一个规定,就是好几个部门一起发布了一个规定,
就是不准在我们境内生产流通使用和出口 DDT,你看晚了很多年。
这个禁药里面包括DDT,还包括其他一些
杀虫剂,一些化学的这个杀虫剂,所以你看这是一个获得了诺奖的一个成果,
它也拯救了很多人的生命,但是因为它自己本身的这个药的性质
它也造成了非常大的危害,好在人类还是及时地来制止了这件事情 来纠正这件事情。
现在呢,DDT,就是世界卫生组织
解了一点禁,就是说你不能用在农业方面,不能大面积地用在室外。
但是在室内作为灭蚊,你还是可以用的,
所以只是在非常有限的情况底下,你可以生产少量的,你在有限的范围进行使用。
因为它对这个昆虫还是非常有效的,所以你看,这也是一起
定向的自然选择的事件,是不是?今天讲的很多都跟人类的活动有关,
这个也是很有意思的一项研究,它是讲一种植物。
这是在非常高海拔的地区才有的,在西藏高原,我们出野外经常看到,叫棉头雪莲花,
大概3000米以上你才能看到它。
这是一个藏药的很重要的成分, 所以人们会去采它,把它放到药材里头去。
还有一个跟它在同一个属的,很近缘的另外一个物种 叫水母雪莲花,长得比它还漂亮一点,但它呢没有药效,
它不入药嘛,所以人们采药的时候不会去关注它的。
有人就做了这样一项研究,他就去标本馆里面 植物的标本馆里面去看标本,就看这两个种子。
看标本的什么呢?就看这个植物的大小,那我们来看,这是这个结果。
从1900年一直看到2000年 100年,这看下来的结果,你看,你就可以明显地看到
是吧?它的大小在慢慢地变小,当然这个地方又开始有一点
这个变大了,因为这段时间 可能在,从九几年开始,八几年开始,就开始
比较提倡这个生物保护,这是这样的一个 这些都是统计的结果。
我们再来看看下面的这个。
这就是一个很均匀的分布,你看不到这样的一个 Patern.
这是一篇PNAS的文章,给你们看的很多都是
就是科学家做的这个研究论文,给你们看的这个结果。
所以这些事情就很明确地告诉大家,其实你
真正给你的时间,不是特别长,在这个比较短的时间内,你就可以看到这个选择的力量。
当然这个还是在自然底下,不是人工养殖的, 待会儿我要讲,专门讲人工选择,这些还是在自然
自然的条件底下,你有意识地去进行 有方向性地来对它施加压力。
这个也是 捕猎的,对这个猎物大小的这个影响。
这就是在欧洲,在北美洲,有一种叫加拿大盘羊
欧洲人都有狩猎的 这个恶习,我把它叫恶习。
他们打这个羊,不是为了吃它的肉, 是为了它的头上那个角,可以作为战利品去炫耀去。
你们看一些老的电影,贵族家里头 墙上是吧,都挂一个牛头、 羊肉呀,那个角在上面。
这是他们那个 hobby,所以你就看,看这边这张图, 你可以明显地看到,这个角的大小
逐年在下降,因为角大的都被打完了,他就有意识地去选择这些大的打。
同样的在水里头,大西洋的这个鳕鱼, 你们都吃过麦当劳的
Filet-O-Fish 以前,这个不是说这个现在
知道吧,就是说以前这个,你或者在美国市场
anyway,这个鳕鱼是它 Filet-O-Fish 的很主要的一个原料。
这个看,我们从1975年开始,然后你
就可以看到,人们那时候的捕捞的习惯就是,我抓上来大鱼留着
小鱼就给它放水里,是吧?就有意识地把大鱼都给抓来吃了。
所以整个这个结果就是越来越,往这边,有些波动
这个还是在可控范围,但是到了1990年的时候 这一下子就下来了,这个你们可以看到这个,唰就掉下来了。
大小就变得很小,然后它有一段时间就禁了
这个同学说,你根本市场上根本就没有鳕鱼了,是,他不让逮了,整个就不让捕, 禁猎这个鳕鱼。
过了一段时间以后,你可以看到,慢慢地把这个趋势阻止住了,
然后他又让捕捞的时候,就是说你就别就捕大的了,你捞到谁
就是谁,你别把小的再放进去,这其实也是一种
你光捞大的话,是一种给大的非常大的选择压力。