◆◇研究心得◆◇ 達爾文在一百多年前的預言─漫談分子演化學 (動物研究所研究員許祖法) 達爾文在西元1859年發表The Origin of Species前，曾經提到： 「自然界各物種真實的親緣關係，必將在未來呈現在我們的眼前， 雖然那時候我已經離開人世而無法看到」。一百多年後的今天，達 爾文預言的一刻到來了嗎﹖雖然生物演化的過程不能倒帶重演，而 我們亦沒有時光機器可以讓我們回到從前。但不可諱言，百餘年來 的科技進展，的確可以讓我們經由其它角度審視生物的演化歷程及 現存物種的親緣關係，也讓我們更接近了「真實」親緣關係的全貌 。在過去，傳統研究物種親源關係總被侷限於可歸屬一類的生物， 這類生物具有可供描述或分類的共同特徵或形質；所以，過去你不 會看到分類學者把現生的鳥類和魚類放在一起比較其親源關係，而 它們在演化上出現的時間也多憑籍考古學上的化石年代證據或一些 「合理」的假設。因為，關鍵在於它們必須先有「共同的特徵」方 能比較，而這一直是個限制。然而事實上，不管是多簡單的單細胞 大腸桿菌或複雜如我們人類，每種生物都是具有共同特徵的，那就 是最基本的遺傳物質── DNA；它是我們所有生物都具備的遺傳標 幟物。本世紀中期找到這個 "DNA共同特徵"距離我們了解生物親緣 關係的全貌及推演生物演化的歷史，似乎是向前邁進了一大步。 半個世紀以來，隨著DNA結構的確認及分子生物技術的快速發展； 一些研究物種演化及親源關係的學者已經搭上了這班向前疾駛的生 命科學列車。分子演化學的研究也因之衍生。在1980年代之前，分 子資料大多數幾乎祇是分子生物學者研究上的副產物。直到最近十 餘年，經由許多先進研究者的努力，將一些有趣的題材或過去囿於 傳統方法而窒礙難行的研究工作，利用分子資料予以解決。一篇篇 重要的報告見諸科學期刊上，再加上基因庫資料的累積及普及利用 ，分子演化學廣泛被接受，因而已被視為一獨立的學門。在1960年 代初期，蛋白質同功異構[酉每]電泳技術首先將生物演化及分類學 推向分子的階層；生化分類學者利用 Allozymes分析一個基因座的 多型性作為遺傳標幟物，藉以分析種以上或族群階層的物種類源關 係。 1980 年代初期，學者開始利用限制內切[酉每]來分析生物種 內和種間特定片段 DNA之限制[酉每]圖譜的差異來分析生物在分子 階層的類源關係。同時，研究人員開始將分析標的物焦點放在粒線 體 DNA上。原因是絕大多數生物粒線體 DNA具有母系遺傳的特性， 這一點可以使研究者不需考慮基因重組等因子，而可單純的分析母 系的親源關係。採用粒線體DNA的另一個重要因素是將其與核內DNA 比較，粒線體 DNA的變異程度較大，且其基因組較小，研究者可視 其探討的階層而採用不同的基因或片斷作分析。時至今日，粒線體 DNA 仍是研究分子演化及親源關係者最有興趣的遺傳標幟物。應用 在族群結構、類源關係、生物地理、生態保育、雜交分析等方面的 研究例子，不勝枚舉。到了1980年代末期，由於一種在試管中大量 複製 DNA 的技術──聚合[酉每]連鎖反應（PCR）的突破，使過去 步驟繁瑣的DNA複製工程變成簡單而容易在一般實驗室操作，而DNA 定序也因此被大量應用。DNA 序列的分析由於可獲得較多的分子資 訊，所以開始有更多人投入 DNA序列的解析工作。而PCR配合DNA定 序也使一些古化石標本的 DNA特徵重現，如此新科技加上舊標本等 於增加了時間的參數，更有助於演化生物學的進展。 由下面一些研究摘要，我們可以了解分子標幟物在演化及親源關 係上有趣及有力的價值。 加大柏克萊分校 Wilson 博士的研究群在80年代末期，首開應用 PCR定序DNA在分子演化上的意義，對從事分子演化的研究者而言， Wilson博士也算是這一行的「祖先」吧！1989年，Wilson的研究群 對哺乳類、鳥類、爬蟲類、兩生類、魚類、昆蟲等 110種的生物做 了一次全面的分子演化研究，他發現在差異甚遠的物種都保有粒線 體 DNA 一些共通的DNA序列，這些分子特徵應能反映過去演化過程 的事件而他導出的分子演化樹與過去為大家所接受的演化樹也相當 符合。在人類探究自己從何而來的老問題上，分子演化的證據也引 起了科學界的關注，Vigilant 在 1991年發表的報告顯示，在分析 189個不同地區的人類粒線體DNA及黑猩猩的序列發現，各地理區的 人類 DNA 序列型皆是由非洲大陸的DNA序列所分化出來的；經過與 黑猩猩演化時間的校正後推知，人類共同的祖先應該是源自約20萬 年前的非洲大陸。另外有關應用在生態及生物地理學上的研究，座 頭鯨在大洋中分別以獨立的小群行攝食及交配洄游即是由粒線體DNA 的分子資料獲得證實。而北美灰狼族群中發現了土狼之基因型，亦 警示了北美生態界開始對北美灰狼的關注。在佐證一些受到爭議的 物種親緣關係上，分子資料也提供了另一個思考方向。例如過去在 鳥類的分類體系上，食肉性的新世界禿鷹( New World Vulture)由 於食性及外部特徵的關係，一直被認為和舊世界禿鷹( Old World Vulture)的類緣關係較近，但根據解剖資料卻認為新世界禿鷹應和 一些鸛類關係較近；後來 Avise等人將這些受爭議的鳥類之分子形 質資料加以分析，結果新世紀禿鷹應和鸛類的類源關係較近。這顯 示了在生物演化過程中，由於內外在環境因子的改變，單憑外部形 質來界定類源關係是可能有錯誤的，前例即是因環境因子導致新世 紀禿鷹趨同演化，造成其外形及食性接近舊世紀禿鷹的結果。上述 諸例，可以證明分子資料已成了研究演化生物及族群遺傳學的有力 工具。 國內的研究人員在分子演化上的研究及應用亦有一些不錯的成果 。以我的研究群在過去幾年的工作為例。我們在1990年首先發表了 世界上第一個魚類完整粒線體基因組序列（平鰭鰍），這對整個生 物基因庫的貢獻是相當重要的，後來許多研究魚類粒線體 DNA的人 即參考了這篇報告來設計其實驗。之後，我們研究了一個長久以來 ，困惑魚類生物學者的問題：日本鰻的族群結構。由於它是一種降 海產卵的神秘魚類，過去對其生活史及生態的了解相當有限，加以 其是高經濟價值的養殖魚種，我國、大陸、日、韓等國一直投注相 當的努力要了解其族群組成，以便研擬鰻苗採捕或保育的策略。我 們分析了 1987-1991年間採自大陸東南沿海、日本、台灣等地的日 本鰻鰻苗，發現它們的粒線體 DNA序列片斷的變異並無地理或時間 上的差異，這些採集的樣本應來自同一母族群，顯示日本鰻降海後 應是回到同一產卵場。這個結果也警告我們必需善加保護日本鰻資 源，特別是保護其產卵場週邊的海洋環境。另外，在生物地理學的 研究上，我們也對台灣特有種「台北樹蛙」的分子遺傳及地理分佈 作了相關研究，證實了台北樹蛙由於活動力較弱的關係，在台灣的 族群因地形隔離，已有中、北部地區族群分化的徵兆。現在，我們 正進一步利用分佈在台灣與大陸地區的同種樹蛙在分子階層的變異 來分析台灣島與大陸板塊分離的時間，以及分析在沒有基因交流狀 況下，兩地的樹蛙在時間序列上遺傳密碼的變異程度。目前我們尚 在進行多項研究，而國內其它領域的研究者也多有豐碩成果。 展望未來，我們除了將繼續對一些具有生物意義的題材進行分子 演化研究外，本土生物的研究也將是我們的重點。希望在不久的將 來，在分子演化的研究歷程上及對整體演化生物學的貢獻上，台灣 學者的研究也能佔有一席之地。