物种形成，达尔文称之为“秘密中秘密”，仍然是进化中的未知领域。然而，遗传分析已经提出了物种形成的新课题，并提示了可行的研究方法。

生物学的一个重大问题是一个连续的进化过程如何形成形态不连续的群体，如物种。不管本文，物种起源很少讨论过这一问题，直到Dobzhansky等人提出了物种形成的遗传理论。这一理论现仍广为接受。然而，值得争论的是这一理论遗留的细节问题。必须有多少基因变化才能形成新的物种？这些基因的变化发生在染色体固定位置上吗？等位基因频率的传统变化是所有变化均参与吗？或新的进化过程如何称呼？自然选择和遗传漂变的相对作用是什么？地理隔离有多重要？

由于物种形成的发生通常是缓慢的，通过直接观察解决这些问题极为困难，但可以通过物种形成留下的模式来研究其过程。本文将集中讨论在物种间产生生殖障碍基因的数量、定位及效应方面的复杂遗传模式。参与物种形成基因的计数、绘图及鉴定的分子生物学方法为解决这些问题提供了有用的研究途径。

新达尔文观点

大多数进化论者坚持Mayr的“生物物种”概念（BSC）：物种是杂种繁殖种群的族，并与其它这样的族生殖隔离。不同物种分离数量的生殖障碍分为合子前隔离因子（交配辨别，不同的生境偏爱，由不同的昆虫传粉等）和合子后隔离因子（杂种不活及不育）。正是这种和漂变相关的生殖隔离创造和扩展了生活在同一地区物种间生物形态的不连续性。虽然新的物种概念的产生有争议，但与其它竞争者相比，它提出了一个明确的研究方案：认识了生殖隔离因子的起源，也就认识了物种起源。

新达尔文观点认为，生殖隔离的起源需要同种种群之间具有地理障碍。这种身体上的隔离（异地性）必然通过选择或漂变导致进化趋异。经过充分的时间后，生殖隔离便进化成这种遗传分化的副产物。例如，杂种不活可能起源于异化的发育系统，这一系统在单一染色体组内不能发育。

虽然生殖隔离在地理隔离时期可以完美起来，但这常常提示不完全隔离种群（它们栖居在同一地区）的自然选择可能通过固定减少种间交配的方式完成了物种形成。这一过程称为‘强化’，曾一度认为是物种形成的重要时期，但现在它的随偶性产生了问题，因为理论模型显示强化是不可能的。而且，只有极少研究显示，重叠范围的物种及来自重叠区域的个体在实验室中有较高程度的种间交配辨别。然而，最近关于相近年龄果蝇属的调查证实，同地交配的性隔离要比异地高得多。因此，许多这类研究需要确定强化的意义。

Mayr提出了异地物种形成广泛的生物地理证据。然而，有人坚持地理隔离事实上并不是必需的，并且‘同地物种形成’可以发生在单纯杂种繁殖的种群内。这一过程可能保留了物种形成最有争议的一面。毫无疑问，遗传趋异在种群间断分布时比较容易发生，但有一些模型和实验显示，当保持潜在接触时种群能够形成生殖隔离。

最近，有证据显示同地物种形成的初始阶段即没有基因流的生境多态性可以在自然界发生：北美洲同地‘寄主族’tephritid fly Rhagoletis Pomenella之间的遗传分化已经发生。然而，对于大多数同地物种形成的历史则一无所知，并且重新构建一个过去未知的包括地理隔离的过程是可能的。但这样不可能估价自然界中同地物种形成的意义。

令人惊奇的是，几乎没有异地物种形成具有决定意义的证据，即作为漂变和选择副产物的生殖隔离的起源。广泛接受这一概念来自于观察异地物种杂交前后的隔离并来自于遗传趋异必然最终导致杂种的性隔离或杂种的发育问题这一思想。有两个实验研究显示生殖隔离作为适应的副产物，但来自自然界的例子只有一个：导入潜道栖息的沟酸浆属Mimulus guttatus铜耐受基因，对种群间杂种是致命的。

模 型

物种形成的地理学并未阐述其遗传基础，但很清楚，生殖隔离的遗传必定是多基因的。Dobzhansky等人提出了一个简单的两基因座生殖隔离模型，即基因型为A₁A₁B₂B₂的祖先种在一个种群内进化成A₁A₁B₂B₂，在另一个种群内则进化成A₂A₂B₁B₁。如果在A₂和B₂等位基因之间的上位相互作用引起杂种完全不育或不活将会导致物种形成。这种情况下，杂种下位将进化成种内未曾出现过的物种，无需种群越过‘适应性低谷’。对于性隔离，类似的模型是可能的，包括影响雄性、雌性特征基因之间的相互作用。

这类上位相互作用的存在是毫无疑问的：像等位基因A₂和B₂这样辅助致死因子在植物及果蝇中了解较为详细。然而，生殖障碍可以由两个以上的基因引起，例如，行为特征的选择可直接引起行为、时间或生境的隔离。那么，适应通常是多基因的新达尔文观点将预测这些隔离因子也将是多基因的。遗憾的是，物种形成的遗传模型还未进展到超出两个基因座。许多精心设计的模型要求一些关于引起生殖隔离、生殖信息基因之间数量、效应和相互作用方面的假设，而这些生殖隔离、生殖信息基因仅存在于少数物种内。

数 据

参与生殖隔离的基因在物种形成完成后可能继续成为固定的，并且鉴定它们本身并不容易，这可以通过物种间生殖隔离的性质和数量与由分子数据估计它们趋异时间相联系加以解决，或通过分析显示仅有一种生殖隔离形式的异地种群加以解决。交配辨别在动物中可能是一个初级隔离因子：繁茂的物种形成，如夏威夷果蝇及新几内亚鸟，常由极端两性异形或精心设计交配方式的群体组成。然而，这或许仅仅反映了在这类群体中探测到的情况。

有多少基因才能导致物种形成？物种形成通常需要至少两个基因的变化，但重要的是认识多基因座是否参与物种形成，如上所述，许多隔离因子是多基因的。仅基于两个或三个基因的完全的性隔离或时间隔离可能提示通过强烈的自然选择而导致快速的物种形成。而且，基因相互作用的这种方式可允许人们重新构建引起隔离的遗传变化过程。

这些问题可由强力遗传学加以解决：杂交亲缘相近的物种（其生殖隔离可在实验室内克服）并观察在回交或F₂杂种中引起隔离的基因的分异，那么，‘物种形成基因’的数目和位置就可以通过观察它们与绘制好的生物形态的或生物化学的突变关系加以评估。这类研究必须限制在遗传特性好的物种如小风或果绳中进行。然而，DNA标记物的出现极大地扩大了可用于分析的物种的数量以及能被检查的基因组碎片的数量，虽然这类研究还没有进行。

极少有实验得出模糊的结果，在果蝇这个研究最多的群体中，生殖隔离常为多个基因，如果一个隔离因子相当强，通常有几个甚至更多的基因参与。大多数这类研究揭示了采用染色体标记物能够探测到的最多数目的基因，较低的范围是在5~3个之间。

然而，有些生物的隔离因子含有较少的基因，在已知最为极端的生物中，蜗牛的合子前隔离明显地由单一突变引起，突变改变了卷曲方向，使交配不可能，这些基因的固定严格地依赖等位基因的母体遗传和被限制的蜗牛运动。偶然的情况下，只有一些基因参与形成生殖隔离，例如，在果蝇D. pseudoobscura中已检出的12个染色体碎片中，只有4个在与其亚种bogotana的杂种中引起雄性不育。其它三个隔离因子可能由三个或更少的基因组成；在swordtail/platyfish杂种中通过形成肿瘤而引起杂种不活（2个基因），在玉米螟中通过性信息索生成和感受而引起行为性隔离（3个基因）以及沟酸浆属Mimulus guttatus种群杂种中的不活因子（2个基因）。

解释这些结果，有几点必须考虑，当一个隔离因子为多基因时，直接的遗传分析并不足以区分9~900内的基因，因为遗传标记物的数目受限。联合来自杂交地带遗传和生物地理信息统计分析的较大估计为：至少150个基因在蚱蜢Podisma pedestris两个染色体族杂种中引起不活，至少55个基因减弱了蟾蜍Bombina与B. variegata杂种的适合度。这些显著的数字提示，杂种仍然可以在自然界形成，并且（根据分子证据）Podisma族就在最近形成了。

单一隔离因子的遗传并不等于物种形成的遗传，物种形成隔离因子的遗传可能包括许多因子。例如，swordtail/platyfish杂种不活在其物种形成过程中本身并不重要，因为性和生境隔离通常阻止杂种形成。而且，对于很久以前就趋异的物种来说，遗传分析可能过高估计了参与物种形成基因的数目。直到这类研究扩展到果蝇外的群体及其它隔离因子（时间或生境隔离因子）才能概括出物种形成基因的数目，然而，可以得出这样的结论，生殖隔离在一定程度上具有一个相对简单的遗传基础。

绘制‘物种形成基因’？X染色体效应以及Haldane法则。‘物种形成基因’染色体图的绘制正处在初期。但已总结出一个规则：性染色体对杂种不育及不活有一个巨大的不平衡效应。这一法则对所进行的24个遗传分析均适用。这些遗传分析包括精巢趋异的物种蝇、鼠、蝴蝶以及果蝇，大多数为异配性别不育，但在同配性别杂种中也有这样的例子。这种X染色体的巨大效应对物种合子前隔离或生物形态上的差异并不具有规律性。

发现这样极少例外的进化模式极为不容易。而且，这一模式很可能解释了被称为Haldane法则的著名发现：杂交物种的后代中仅有一个性别不育或不活时，这一性别几乎总是异配性别，极少有例外。因为只要性别为异配的生物均服从这一法则，Haldane法则一定是根据性染色体本身而不是根据对杂种形成一种性别的敏感性，当异配不育及不活在完全不育及不活进化中是第一步时，解释Haldane法则和性染色体效应将阐明物种形成的初始阶段。首先，X染色体效应是因为其特殊的发育性质，如它参与了剂量代偿作用，在哺乳动物精子生成作用中自身的相互作用。其次，由于入染色体在一种性别中是半合子的并缺乏重组，因此，它刺激一些进化变化要比常染色体快，并且这些变化可以引起杂种不育或不活。这种类型的进化可能是取代了显性不足的或部分显性的隐性等位基因，或取代了引起一个性染色体消减另一个性染色体的减数分裂驱动的等位基因。

遗憾的是，这些理论没有一个完全令人满意。有的理论无法解释一些事实。根据精子生成作用对遗传趋异易感性的理论无法解释，在鸟类及鳞翅目中只有雌性杂种不育或不活，也不能解释在同配雌性中性染色体对合子后隔离具有巨大效应，根据X与y染色体有害相互作用的理论不能解释为什么Y染色体常常对杂种不育及不活没有作用，也不能解释XO物种服从Haldane法则。把合子后隔离归因于X-Y减数分裂驱动的理论无法解释在同配性别中X染色体对合子后隔离的巨大作用以及X染色体对任何性别的不活的巨大作用（减数分裂并不能引起不活），也不能解释在半不育杂种中减数分裂驱动的缺失和对合子后隔离常缺少一个Y染色体的作用。其它理论要求有未被证实的假设，如引起不育或不活隐性的或显性不足的基因。

Haldane法则没有统一的解释也是可能的，但其结果与遗传趋异是符合的。杂种不育及不活可能具有不同的起因，例如，蝇类精子生成及蝴蝶卵子生成遭到破坏。筛选这些可能性将是进化遗传学的一个主要目标。

物种形成基因的分子分析绘制影响生境偏爱及交配行为的基因较为困难，而绘制引起杂种不育及不活基因则比较容易，分离它们则又比较困难，因其表现型仅在杂种中出现。不管怎样，认识这些隔离能够解决关于物种形成的一些问题。例如，生殖隔离是由传统基因突变引起的吗？或由新的遗传因子如重复序列或转位子引起？如果基因参与生殖隔离，它们是在密码序列或非密码调节区趋异吗？这些基因在物种内是否具有许多正常功能？例如，雄性杂种不育是因为基因参与了精子生成作用或是基因在两性中均表达而只破坏雄性的发育？如果两性均不育或不活，在两性中是相同的基因在起作用吗？（来自果蝇的证据初步反对这一观点）如果仅有一些基因参与，它们的功能对它们趋异的次序是否提供线索？

只有两个物种形成基因被分离，其中一个给出了一个意想不到的结果。在Platyfish中形成眼点的基因能够在其与swordtail的杂种中引起致命的黑色素瘤，这种功能障碍包含一个X染色体连锁的肿瘤基因，能形成一个酪氨酸激酶受体，正常情况下在Platyfish中被显性的常染色体等位基因抑制。然而，swordtail缺少X染色体连锁的酪氨酸激酶基因座和显性抑制器。回交或F₂杂种可遗传没有抑制器的肿瘤基因，能形成严重的恶性肿瘤。因此，隔离的这种变化并不是由基因序列中一个突变引起的，而是由亲缘相近物种中一个基因座的完全缺失引起的，其它的物种形成基因，如果蝇中与X染色体连锁的每一个基因座明显地通过传统的方式改变，在雄性求偶时影响翅膀振动的节律，是吸引雌性交配的一种性状。在D. melanogaster和D. Simulans中这种节律的差异是由碱基密码区一至四个碱基置换引起的。

其它三个基因座全在果绳中，已精确地绘制出，足以用于分子分析。包括一个在D. simulans/D. mauritiana杂种中引起雄性不育的X染色体连锁基因，一个位于D. simulans微小的第四染色体基因，与D. melanogaster渐渗杂交能引起雄性不育，值得注意的是有一个杂种雄性营救（Hmr）基因，其突变营救D. melanogaster与其亲缘杂交的正常情况下不活的性别。然而，进化形成生殖隔离的基因不可能是一个基因，但只是一个开关，这开关与已知的能在这些杂种中引起不活的许多基因座无关。

不正常的遗传现象能引起物种形成吗？

生殖隔离某些时候可能是基于一些可遗传的因子而不是传统的基因。在杂种（异源多倍体）中染色体配对是植物物种形成的主要原因。这已提示单纯染色体重排对动物物种形成同样重要，因为一些杂合的重排可能导致其携带者半不育。然而，这一提示有很多问题。最近有两个概念引起人们的特殊注意，广泛提示交配后隔离可能是由杂种中无法控制的可动转座遗传因子引起的，这些转座遗传因子正常情况下在物种内是不运动的。这一模型是根据D. melanogaster杂种的生殖障碍来的，各种畸形包括不育出现在含有转座子及不含转座子品系的杂种中。然而，杂种不育及不活因子定位到固定的染色体位点上（特别是在X染色体上）并不期望有可动因子参与。而且，杂种物种并不显示与转座子流动有关的其它现象，如在果蝇中的高突变率和雄性重组。

一个可能的广泛隔离形式是由感染细菌引起的杂种不活。在五个目的昆虫中发现正常的杂种不活通过用含有抗生素的饲料饲养双亲可存活下来，单一物种的感染仅在定向杂种中产生不活，但地理隔离种群的不同感染能引起部分或全部生殖隔离，这已在果蝇D. simulans、黄蜂Nasonia vitripennis及蚊Culexpipiens中发生。感染的物种形成显然与植物多倍体物种形成相似，实际上感染与物种形成同时发生并且没有宿主的遗传变化。虽然有人建议内共生是物种形成的最初起因，但未被生殖隔离绘制成的染色体图所证实。不管怎样，作用于合子后隔离的细胞质效应并不少见，并且抗生素治疗是任何遗传分析的一个部分。

自然选择还是遗传漂变

虽然重新构建一个导致物种形成的遗传变化过程较为困难，但寻找引起这些变化的因素更为困难，似乎很清楚，自然或性选择可引起作为副产物的生殖隔离，但已有一些证据提示物种形成常常依靠选择和遗传漂变间的相互作用。

物种形成的这种理论解释了两种现象。首先，隔离的物种，如海洋孤岛上的物种，其形态要比陆地相近物种更为极端（夏威夷果蝇及太平洋岛上的鸟类即属这类例子）。其次，在这样隔离的环境中，物种形成可能是快速的。因为这些物种在一些建立者栖居后就可能起源，它们经历了来自随机的遗传漂变等位基因频率的较大变化，这可引起身体形态的变化和生殖隔离，推动种群越过适应性低谷，单独通过选择并不能越过这些低谷。漂变和选择的联合作用区分了‘建立者效应’理论与由漂变或选择单独起作用引起物种形成的理论，然而，新旧理论都说明，经反复减少至一些个体的实验种群可形成弱的生殖隔离。

毫无疑问，孤岛上的物种形成开始于一些经历遗传漂变的建立者，但有一些值得注意的争论，关于这种漂变对物种形成是否有利，建立者效应理论的主要问题是其假设转换成数学模型时似乎就无法解释其理论了。而且，这一理论令人鼓舞的观察也与较为传统的选择主义模型一致。生物学家早已认识到，物种能够在孤岛或其它隔离的生境中迅速进化，这些隔离的生境提供了能引起强烈自然选择的地理隔离和新奇环境。如果生殖隔离是这类选择的副产物，那么，人们就期待‘适应辐射’：在隔离的局部中，形态的新奇性和快速的物种形成。

因此，有两种理论解释了同一现象，适应辐射似乎是较为可能的解释，因为它只要求生殖隔离为遗传趋异的副产物，在自然界要远比建立者效应理论的要求易于满足，这一理论假定种群结构具有复杂的组合：种群统计变异和遗传相互作用。最终，建立者效应理论如同同地物种形成一样，几乎不可能在自然界得到证实，虽然这两者都可能发生，但都难与易被证实的选择过程相区分。

[Nature，1992年2月6日]