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纪念达尔文诞辰200周年:进化论的扩张
2009-02-12 12:56 来源:环球科学
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  今天是达尔文诞辰200周年纪念日,他肯定想不到,当年他对甲虫和小鸟的研究会带来如此巨大的技术进步。随着我们对进化历史的日渐了解以及对进化原理掌握的不断深入,进化论的巨大应用价值应运而生,这些应用今天已经成为众多领域的支柱。

  达尔文肯定想不到,当年他对甲虫和小鸟的研究会带来如此巨大的技术进步。随着我们对进化历史的日渐了解以及对进化原理掌握的不断深入,进化论的巨大应用价值应运而生,这些应用今天已经成为众多领域的支柱。

  执法机关就普遍使用进化分析技术来调查案件,这样的案例随着美国电视剧《犯罪现场调查》(CSI)的热播已经深入人心。只有了解不同基因如何进化,人们才知道从DNA 证据中能提取何种信息。

  在医疗保健领域,对禽流感(bird flu)、西尼罗河病毒(West Nile virus) 之类的病原体(pathogen) 进行系统进化分析(phylogenetic analysis, 即通过研究DNA序列探究它们的进化关联或谱系),不仅可以帮助人们开发疫苗,而且可以指导人们如何抑制疾病在人群中的传播。一项名为“定向进化”(directed evolution)的实验技术可以加速蛋白的进化,优化疫苗和其他有用蛋白。

  类似的例子还有很多。计算机科学家借鉴进化的概念和原理,创造出“遗传编程”(genetic programming)这个通用系统,能够解决复杂的优化和设计问题。新近发展起来的“宏基因组学”(metagenomics)研究方法,彻底革新了科学家普查某一地区微生物种类的能力——自显微镜诞生以来,还没有哪项发明能够像这样,使我们对微生物多样性的理解发生如此翻天覆地的变化。

  400 多年前,英国哲学家和政治学家培根说:“知识就是力量。”而今,对进化日益加深的理解孕育出了极其实用的技术,成为这句名言的绝佳写照。

  进化洗冤录

  进化分析已经在罪案调查中大显身手,使冤案得以昭雪,让真凶无处隐藏。

  进化分析和罪案调查有一个共同目标,那就是还原历史事件的真相。一旦有了成熟的DNA 大规模测序技术、完善的定量研究方法,再加上科学和法律系统的开明整合,进化分析与罪案调查就会结合在一起,结出丰硕的果实。

  在进化的诸多应用中, 分子时钟(molecular clock)这个概念占有非比寻常的地位。许多DNA 序列随时间改变的速率大致可以预测,这就构成了分子时钟的理论基础(参见下页插图)。然而,DNA 位置不同,各自时钟的运转速度也可能不同。20 世纪80 年代初,遗传学家发现人类DNA 的某些区域进化非常迅速,这些区域很快就被用作遗传标记,在罪案调查和亲子鉴定方面派上了用场。这些标记在每个人身上都独一无二,犹如指纹一般,却能提供更多的细节。

  法证调查人员使用特殊的遗传标记,确定犯罪嫌疑人与犯罪现场的物证之间是否存在联系。所谓的物证可以是一根头发、留在啤酒罐上的少许嘴唇细胞、信封和烟头上的一点唾液,甚至可以是精液、血液、尿液和粪便等。如果一个嫌疑人的标记与犯罪现场留下的证据不符,就可以洗脱他的嫌疑——这是该技术最直接的应用。美国公共政策机构“昭雪计划”(Innocence Project)积极宣扬利用遗传标记进行冤案平反,并对类似案例进行追踪。据该机构报告,1989 年以来,“遗传标记不符”已使至少220 人沉冤得雪,其中许多人被判强奸罪,有些甚至被判处死刑。

  1925 年, 田纳西州高中教师约翰·T· 斯科普斯(John T. Scopes)因为在学校传授进化论而被判有罪,当时的美国法院将进化论视为洪水猛兽。如今,进化论在美国法院体系中的地位已经完全改观。1998 年,美国路易斯安那州起诉理查德·J·施密特(Richard J. Schmidt)的刑事案件中,法官开创了系统进化分析在判决中被法律标准承认的先河,理由是这些证据经受了实验检验,发表在经过同行审阅的杂志上,并且被科学界所承认——这些正是检验科学证据时应该遵守的“多伯特标准”(Daubert standard),该标准是以更早之前一个开创判例标准的案件中原告的名字命名的。

  受到美国贝勒医学院迈克尔·L·梅茨克(Michael L. Metzker)和得克萨斯大学奥斯汀分校戴维·M·希利斯(David M. Hillis)的邀请,我有幸作为科研人员及专家证人参与了路易斯安那州起诉施密特的案件。我们三人合作完成了相关的分子生物学分析。

  这起案件中不争的事实是,一位胃肠科医生闯入从前在他诊所工作的一位护士兼情人的房间,给她打了一针。这位医生声称那只是一针维生素B,但受害人说那是一针HIV 病毒。几个月后护士开始生病,血液检测表明她已被HIV 感染。于是,受害人到地区检察官办公室提出指控。办公室的侦办人员很快申请到了搜查令,对这位医生的办公室展开调查,结果找到了他的记事本,还在冰箱里发现了一管血液。然而医生辩称,这管血液取自他的一名HIV 阳性病人,是供他自己研究使用的血样。

  调查的下一步,自然是对护士感染的HIV 谱系和嫌疑血样中的HIV 谱系进行系统进化分析。我和合作者选择了两个HIV 基因进行测序,其中一个进化速度相对较快,编码了部分病毒衣壳,另一个进化较慢,编码了病毒的逆转录酶(reverse transcriptase,缩写为RT)。我们还从另外30 名感染者体内抽取了血液样品作为参照。

  对病毒衣壳基因的分析显示,相对于参照样品,受害者和医生样品的HIV 序列构成一对姐妹分支。任意两个HIV 感染者携带如此高相似性病毒的概率几乎为零。这个结果与护士的指控一致,即医生将来自病人的血液注射给了护士,但是也存在另一种可能,即病人是从护士那里感染了HIV 病毒。从进化较慢的逆转录酶基因序列得到的系统进化分析结果显示,受害人体内的病毒相对比较年轻,是从嫌疑血样病毒的一个分支演化而来的。这一结果明确表明,正是嫌疑血样中的病毒感染了这名护士。

  法官最后判定医生谋杀未遂罪名成立,判处有期徒刑50 年。当然,我们无法了解我们提供的进化证据和其他证据(比如医生的记事本和行为举止),在陪审团最后作决定时分别起到了多大作用。但是我们确实知道,2002 年美国最高法院驳回了施密特案的上诉,因此系统进化分析将继续在美国法院的判案过程中占有一席之地。

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