关于生物的形态与机能进化的机制，达尔文的自然选择学说现在仍然被广为接受。事实上，达尔文提出自然选择学说的当时，他并不知道群体的变异是如何产生的，是孟德尔学说揭示了遗传变异的实质是突变。而后，达尔文学说与孟德尔学说构成了所谓综合进化论（synthetic theory of evolution or neo-Darwinism）的基础。综合进化论承认突变是遗传变异的来源，但强调群体遗传构成以及变化（基因置换）的主要动力是自然选择。换言之，突变和遗传漂变等至多算是一种次要的进化因素。

    60年代中期，由于分子生物学（确切说是分子遗传学）的概念和方法开始进入进化和变异的研究领域，使人们有可能在分子水平、即DNA和蛋白质水平上展开进化学研究。为了说明分子进化研究中发现的许多出乎意料的观察结果，1968年木村资生提出了分子进化的中立学说（neutral theory）。该学说强调，分子进化不是有利变异通过自然选择在群体中扩散的结果，而是对自然选择中立的（即无利也无害）变异偶然扩散的结果。由于以自然选择学说为中心的综合进化论当时已成定论，这一学说受到了许多进化学者的反论。

    从群体遗传学的角度看，分子水平上的突变有两种类型。大多数突变由于损害个体生存能力，最终使个体在达到可生育年龄前死亡，因而，这类突变所导致的DNA分子变化不会被子代所继承。另一方面，个别突变能够在群体中固定，它会以更改群体中全部个体的DNA分子的形式在该生物种的DNA上留下历史的痕迹。在这个意义上， DNA分子也称为"分子化石"。

    如果追搠人与猿的进化历史（约3000万年），我们可以找到同一祖先，人与猿的DNA在此阶段是完全相同的。两者从共同祖先分歧之后，各自的系统都分别产生和积累了突变，于是，它们的DNA逐渐有了差异。事实上，单独观察某一生物种（例如人或猿）的DNA时，我们不能发现这种差异；当我们在不同种生物间（例如人和猿）进行比较时，DNA序列间的差异便显而易见了，它们是进化过程中突变刻在DNA分子上的痕迹。所谓分子进化学，就是以这种积蓄在DNA分子上的历史信息为基础，研究分子水平的进化过程和机制。

在比较DNA或蛋白质序列时，通常我们并不知道其共同祖先的相应序列。两个互相比较的序列所显示的差异，即可能是其中一方变异的结果，也可能是两方同时变化的结果。例如，如图8-1所示，除非祖先分子已知，否则对在被比较的分子中观察到的碱基或氨基酸差异完全可以有不同的解释。

过去 共同祖先

第九位点G变A 第九位点G变C；

第十五位点G变A

现在 人 猿

祖先 TGCGGCTCGCACCTGGTGGA

人 TGCGGCTCACACCTGGTGGA

猿 TGCGGCTCCCACCTAGTGGA

图 8-1 人、猿胰岛素基因片段与假想祖先序列的比较

    不仅如此，当某一碱基序列在进化过程中发生了碱基的多重置换，例如，A-G-A、A-G-C-A 等，仅凭现存生物的序列信息，我们甚至找不到碱基置换的痕迹。事实上，分歧时间愈久远，碱基置换发生的机会愈多，重复置换发生的可能性也愈大。比较现存生物的分子时，可以通过一些统计方法对重复置换进行校正。

    DNA分子所携带的进化信息可以通过比较不同物种的DNA而获得，其中最简单的信息是进化过程里，具有共同祖先的两种生物各自分别固定的突变（碱基置换）总数。重要的是，这是一个来自于现存生物DNA的、简单而客观的数据，六十年代初，分子进化学者通过它揭示了一个重要的事实：互相比较的生物种的分歧年代愈古老，其DNA序列的差异程度（即碱基置换数）便愈大，因而碱基置换数反映了生物系统的进化程度。尽管当时由于DNA序列分析技术的限制，人们主要观察的是蛋白质的氨基酸置换，其结果仍然是相同的。例如，动物体内负责运送氧分子的血红蛋白，在人与狗间氨基酸序列差异不过16%，而在人与鸟间有25%不同。如果和远缘的鱼相比，氨基酸序列差异达到53%。

    既然进化是以一定的速度进行的，定义进化的速度便显得非常重要了。通常将一个碱基或氨基酸座位每年发生的变化叫做分子进化速度。例如，20个碱基构成的胰岛素基因片段在人与猿之间的进行比较时，共发现两处碱基不同；人、猿大约是3000万年前从共同的祖先分开的，据此，可推算该胰岛素基因片段的进化速度为2/20/3000 " 3(10-9（/座位/年）。

    以血红蛋白为例，如果将碱基置换数对分歧时间作图，通常我们可以得到一条从原点出发的直线，直线的斜率相当于进化速度。一般地，斜率大表示进化迅速，斜率小表示进化进程缓慢。除人和猿之外，用鼠、鸟及鱼等各种脊椎动物系统都可得到相同的直线关系，这种进化速度与生物系统无关的性质亦被称为分子进化速度的一定性，碱基或氨基酸与分歧时间之间的线性关系被称为分子钟。

    一篇文章，有些部分是必不可少的，而另外一些部分可能是无足轻重的。后者允许某些变化但又不致影响文章的大意。事实上，蛋白质的中的氨基酸也是如此。蛋白质及编码它的基因都有其重要和不太重要的部分。在进化过程中，对蛋白质的功能非常重要的氨基酸几乎是不变的，反之，不重要的氨基酸部分比较容易发生变化。  

    现在以血红蛋白为例加以说明。血红蛋白的主要功能是与氧气结合，并将其运往机体组织的各个部分。由于血红蛋白（血红素部分）与铁原子紧密结合，因此血液呈现红色，而氧气正是通过这些铁原子运输的。在对现存所有脊椎动物的血红蛋白分析时发现，和铁原子直接结合的部位都是组氨酸，当它被其它氨基酸替代时，铁便不能够结合了。各种蛋白质中都有这种对其功能非常重要的部分。例如，具有酶功能的蛋白质有直接参与催化反应的活性中心部位，其中的特定氨基酸被其它氨基酸置换后，酶蛋白大多失却了原来的活性。其实，这些部位的氨基酸也不是一成不变的。在血红蛋白的进化历程里，其它氨基酸替换血红素部位组氨酸的突变时有发生，但是，因为这些变异损害血红蛋白功能，危害个体生存，最终以带有该变异个体消亡的形式从群体中消失了。由此可见，对蛋白质功能非常重要部位的氨基酸是由于功能上的理由不能被替换的，亦即，在这些部位上，蛋白变异受到功能上的制约。功能制约不仅存在于蛋白质，也存在于DNA。一个基因往往包括很多功能部位，在进化过程中，这些部位的核苷酸因功能制约而很少变异。

    显然，除了对蛋白质以及基因功能重要的部位之外，一个分子还有一些相对不重要的部位。这些部位的氨基酸或碱基是否就可以被随意替换呢？它们是否完全不受功能制约呢？其实不然。虽然程度有差异，这些部位的氨基酸或碱基也处于功能制约之下；它们可以在一定的范围内变化。通常，在天然蛋白质的立体结构中，氨基酸链折叠致密，几乎找不到空隙。当蛋白质内部某一个体积小的氨基酸被体积大的氨基酸替换时，它有可能导致蛋白质整体形状扭曲，破坏了其原有的立体构型；反之亦然。显然，蛋白质会允许那些体积大小相似氨基酸之间的替换，因为它们使蛋白质基本上维持原来的立体结构不变。事实上，调查分子进化过程中发生的氨基酸置换可以发现，大小相似氨基酸间的置换频率比不相似的更高。另一方面，除了氨基酸的大小之外，这种保持立体结构不变的功能性制约也反映在氨基酸的极性变化上。只有那些极性相似氨基酸之间发生的置换才有可能不影响蛋白质的结构和功能。关于进化过程中氨基酸置换类型的观察结果表明，极性相似氨基酸之间更容易发生相互置换。

    如前所述，在蛋白质的进化过程中，性质相似的氨基酸容易发生相互替换，不相似的氨基酸不易相互替换。不过，对于发生在单个个体中的突变来说，情况并非如此。因为突变是随机、均一地发生的，所以，一种氨基酸突变为其它任意一种氨基酸的机会都是均等的。

    在人类、猿猴及小鼠等近缘生物种内观察到的血红蛋白的氨基酸置换类型及其相对频率反映的是已经在群体内固定的氨基酸突变。但是，其中显然不包括那些破坏蛋白质立体结构、危害个体生存力的氨基酸置换类型；关于从这些生物中获得的异常血红蛋白的相应数据则代表了尚未在群体中固定的突变。例如，镰形细胞贫血症，这是一类罕见的遗传突变症状，患者血红蛋白功能异常大多由单个氨基酸变异引起。在镰形细胞贫血症患者血红蛋白中观察到的氨基酸置换类型和频率与其它蛋白质显著不同，高频率的置换甚至发生在有些物理、化学性质差异相当大的氨基酸之间（当然，这些变异最终命运还是通过自然选择从群体里被淘汰出去）。甚至在有些调查中可以看到大差异氨基酸置换频率升高的趋势。这种现象可能主要是由取样时对重症患者的人为选择引起的。可以推测，物理、化学性质差异较大氨基酸之间的置换将导致血红蛋白立体结构的大幅度改变，进而给患者造成更大的功能性障碍。

    现代生命科学的中心课题之一是了解基因功能的各种调控机制与性状表达之间的关系，它也是揭示分子进化与表型进化之间联系的关键所在。

    分子水平的进化与表型水平的进化之间存在着显著不同的特性。第一、关于进化的速度。考察同一种分子（例如基因）的进化，不论是数亿年形态不变的活化石一类生物，还是表形水平上进化迅速的生物，其进化的速度（单位时间内所产生的碱基或氨基酸置换数）几乎都是相同的。第二、关于进化的形式。变化的保守性是分子进化的特征，亦即，尽可能不损害分子原有的功能和构造。另一方面，外部形态进化的基本原则是机会主义（opportunism）。例如，鸟翼是动物的前肢演化而来，但它与具有同样功能的昆虫翅膀起源却完全不同。这是一种只要有飞行功能，可以不计较素材的机会主义方针。同样的现象在动物的许多适应性形态特征中表现得更为显著。例如，澳大利亚有袋类在进化过程中演化出了很多和哺乳类形态相似的动物，其中有像狗的，有像松鼠的，还有像食蚁兽的。显然，说明它们的进化机制时，最佳选择只有达尔文的自然选择学说。

    究竟应当如何理解分子进化特征和表型进化特征之间的差异呢？按照分子中立学说的提倡者木村资生的观点，表型水平上最常见的选择方式是能够维持现状的安定化淘汰，如果决定各表型的是许多独立功效微小的基因，那么，各个相关基因座位所承受的选择压力将会很小。这样，在分子水平上，中立进化发生的余地便很大了。换言之，同一种表形可能是许多基因不同组合的结果。也就是说，在进化过程中，分子水平比表型水平变化的自由度更大。

    随着形形色色基因功能之谜被逐渐揭开，各种动物、甚至人类外表、行为和相应基因之间的相互关系也将被最终被阐明。