科研領(lǐng)域的“全才”
2013年11月，在日本京都市的一間大型音樂(lè)廳里，京都獎(jiǎng)的第二十九屆頒獎(jiǎng)典禮如期舉行，美國(guó)科學(xué)院院士、賓夕法尼亞大學(xué)生物學(xué)教授根井正利獲得了其中的基礎(chǔ)科學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他在分子水平上對(duì)進(jìn)化理論的開(kāi)拓性探索。
京都獎(jiǎng)是一項(xiàng)重量級(jí)的國(guó)際科學(xué)大獎(jiǎng)，它由日本企業(yè)家稻盛和夫創(chuàng)立，由日本企業(yè)稻盛集團(tuán)主辦，每年評(píng)選一次，設(shè)置三個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，分別授予全世界在尖端技術(shù)、基礎(chǔ)科學(xué)和思想藝術(shù)領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家或藝術(shù)家，有“日本諾貝爾獎(jiǎng)”之稱(chēng)。每一位京都獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)呖梢缘玫?000萬(wàn)日元的獎(jiǎng)金，相當(dāng)于300萬(wàn)人民幣。
作為一位美籍日裔獲獎(jiǎng)?wù)?，根井正利的演講被安排為頒獎(jiǎng)典禮的壓軸節(jié)目，日本王妃高圓宮久子、企業(yè)家稻盛和夫以及眾多日本外交官親臨捧場(chǎng)。在眾人的掌聲中，82歲的根井正利緩緩登臺(tái)，他用一面巨大的屏幕播放幻燈片，試圖向熱切而尊貴的觀眾展示開(kāi)拓性的研究技術(shù)以及革命性的進(jìn)化理論。這時(shí)，根井正利卻遇到了一個(gè)小小的技術(shù)故障——他的幻燈片開(kāi)始隨機(jī)地“前進(jìn)”或“后退”，完全沒(méi)法控制。處理無(wú)果后，根井正利有些尷尬地對(duì)他的觀眾開(kāi)玩笑說(shuō)：“我總是追求理論，而不是實(shí)用性”。
其實(shí)，在根井正利的整個(gè)科研生涯中，他的“理論”和“實(shí)用性”做得都不錯(cuò)。比如，根井正利早期所做的農(nóng)業(yè)研究就很實(shí)用，后來(lái)他通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)從分子水平上分析生物進(jìn)化的機(jī)制，這又涉及到非常高深的數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)理論。1972年，根井正利發(fā)明了如今仍在被廣泛使用的“根井標(biāo)準(zhǔn)遺傳距離”計(jì)算公式，可以比較不同生物種群關(guān)鍵基因的分化程度，從而估算這些種群在多久之前進(jìn)化出了“分支”。20世紀(jì)90年代，他又設(shè)計(jì)了“分子進(jìn)化遺傳學(xué)分析”軟件（簡(jiǎn)稱(chēng)“MEGA”），這款軟件功能非常發(fā)達(dá)，是生物科研領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)程序之一。
可以說(shuō)，根井正利大部分研究成果都是“理論”和“實(shí)用性”的完美結(jié)合。從“動(dòng)腦”和“動(dòng)手”的角度來(lái)說(shuō)，根井正利算得上是科研領(lǐng)域中的“全才”了。
生物進(jìn)化的“中性理論”
前面提到，根井正利最初所做的研究是農(nóng)業(yè)科學(xué)，那么他后來(lái)又為何成為了一名進(jìn)化生物學(xué)家呢？這其實(shí)與另一位日本生物學(xué)家木村資生有關(guān)。
1931年，根井正利出生于日本宮崎縣，22歲時(shí)畢業(yè)于宮崎大學(xué)農(nóng)學(xué)系，1959年，在京都大學(xué)獲得農(nóng)學(xué)博士學(xué)位。隨后，根井正利來(lái)到日本國(guó)立放射學(xué)研究所任職，研究農(nóng)作物的育種，頻繁接觸到群體遺傳學(xué)的知識(shí)。群體遺傳學(xué)是一種用數(shù)學(xué)研究群體中的基因變化動(dòng)態(tài)的科學(xué)，美國(guó)在這一領(lǐng)域的水平比較高。木村資生恰好從美國(guó)留學(xué)回來(lái)，同時(shí)也是精通群體遺傳學(xué)的著名學(xué)者，根井正利便常常向他請(qǐng)教和探討問(wèn)題。根井正利結(jié)識(shí)木村資生不久，后者便創(chuàng)立了一種新的進(jìn)化理論——“分子進(jìn)化中性學(xué)說(shuō)”，簡(jiǎn)稱(chēng)“中性理論”。
在20世紀(jì)60年代以前，學(xué)術(shù)界最推崇的進(jìn)化理論是達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說(shuō)。在《物種起源》這篇巨著中，達(dá)爾文指出，自然界現(xiàn)存的各種各樣的生物，是由其共同祖先經(jīng)過(guò)自然選擇進(jìn)化而來(lái)的，物種在自然選擇下進(jìn)行生存競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致“適者生存，不適者被淘汰”。在自然選擇下，對(duì)生存競(jìng)爭(zhēng)有利的變異會(huì)保存下來(lái)，不利的變異被淘汰，長(zhǎng)此以往，微小的變異積累為顯著的變異，就形成了新的亞種或新的物種。所以，達(dá)爾文及其學(xué)說(shuō)的繼承者認(rèn)為，自然選擇塑造了生物的性狀。
然而，在木村資生看來(lái)，把一切進(jìn)化現(xiàn)象都?xì)w結(jié)為自然選擇是不妥當(dāng)?shù)?，因?yàn)樯锲毡榇嬖谥S多與適應(yīng)自然無(wú)關(guān)的性狀，比如人類(lèi)眼睛的單雙眼皮、鼻子鼻梁的高低、頭發(fā)顏色的深淺等等。在一般情況下，很難說(shuō)自然選擇對(duì)這些性狀的存在能產(chǎn)生多大的影響。這或許說(shuō)明，即使沒(méi)有自然選擇，生物也會(huì)出現(xiàn)性狀的差異，也能形成進(jìn)化。為了不和達(dá)爾文學(xué)說(shuō)產(chǎn)生太大的沖突，木村資生提出，生物存在兩種進(jìn)化模式：一種是發(fā)生在宏觀表型（基因等生物分子表現(xiàn)出來(lái)的整體性狀特征）水平上的進(jìn)化，它由自然選擇驅(qū)動(dòng)；另外，還存在不受自然選擇影響的進(jìn)化，這種進(jìn)化發(fā)生在分子（比如基因、蛋白質(zhì)和核酸）水平上，它對(duì)生物個(gè)體是否適應(yīng)自然來(lái)說(shuō)無(wú)所謂好壞，是呈中性的——這就是“分子進(jìn)化中性學(xué)說(shuō)”。
“變異”驅(qū)動(dòng)進(jìn)化
木村資生的“分子進(jìn)化中性學(xué)說(shuō)”讓根井正利非常感興趣。于是，他于1969年離開(kāi)日本，前往美國(guó)研究進(jìn)化生物學(xué)。在隨后的幾十年里，根井正利先是在布朗大學(xué)任教，后來(lái)陸續(xù)擔(dān)任得克薩斯大學(xué)休斯頓分校以及賓夕法尼亞大學(xué)的教授，并于1997年當(dāng)選美國(guó)科學(xué)院院士。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，根井正利成為“分子進(jìn)化中性學(xué)說(shuō)”的代表人物，同時(shí)對(duì)于進(jìn)化生物學(xué)做出了許多革新。
比如，為了論證“中性理論”，根井正利利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)建立了數(shù)學(xué)方程，利用計(jì)算機(jī)模擬生物分子的變異在生物傳代過(guò)程中的行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物分子的變異往往不影響分子（比如蛋白質(zhì)和核酸）的功能，也就是說(shuō)它并不引起宏觀表型的改變，也不影響生物個(gè)體適應(yīng)環(huán)境的能力。所以，生物分子水平上的變異無(wú)利亦無(wú)害，呈中性，自然選擇對(duì)其無(wú)能為力。
但是，這些隨機(jī)的、不受自然選擇影響的中性變異會(huì)在生物傳代過(guò)程中通過(guò)遺傳被固定下來(lái)，或者消失。至于哪一種變異能夠保存下來(lái)，哪一種變異趨于消失，同樣也全靠機(jī)遇。根井正利將這種中性變異的隨機(jī)的變動(dòng)稱(chēng)為“遺傳漂變”。由于生物身體的每一部分都是由分子控制的，而分子的進(jìn)化是通過(guò)中性變異的“遺傳漂變”實(shí)現(xiàn)的，自然選擇并不起作用，所以，根井正利提出一種新的觀點(diǎn)：生物進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力是變異，而非自然選擇。
又比如，構(gòu)建“進(jìn)化樹(shù)”是理解生物進(jìn)化史的重要方法，為此，根井正利發(fā)明了一種計(jì)算機(jī)算法，可以通過(guò)比較不同物種之間關(guān)鍵基因的差異來(lái)快速構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)，相關(guān)的論文如今已經(jīng)被引用了超過(guò)3.4萬(wàn)次。另外，“根井標(biāo)準(zhǔn)遺傳距離”計(jì)算公式以及“分子進(jìn)化遺傳學(xué)分析”軟件都是根井正利發(fā)明的新型研究方法，在進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
獲得京都獎(jiǎng)后，根井正利被問(wèn)及自己成功的秘訣。他提到，獨(dú)立思考，勇于質(zhì)疑教條和拋棄先入為主的觀念，這才是最重要的科學(xué)素養(yǎng)。正是由于不迷信達(dá)爾文，他才在進(jìn)化生物學(xué)的研究道路上越走越遠(yuǎn)，最終獲得成功。
聯(lián)系客服
