分子钟

分子钟是一种技术的比喻性术语，它使用生物分子的突变率来推断史前时期两种或多种生命形式发生分歧的时间。 用于此类计算的生物分子数据通常是 DNA、RNA 的核苷酸序列或蛋白质的氨基酸序列。 确定突变率的基准通常是化石或考古日期。 分子钟于 1962 年首次在各种动物的血红蛋白变体上进行测试，通常用于分子进化以估计物种形成或辐射的时间。 它有时被称为基因时钟或进化时钟。

所谓分子钟存在的概念首先归因于 Émile Zuckerkandl 和 Linus Pauling，他们在 1962 年注意到，根据化石证据估计，不同谱系之间血红蛋白中氨基酸差异的数量随时间大致呈线性变化 . 他们将这一观察结果概括为断言，任何特定蛋白质的进化变化率随时间和不同谱系大致恒定（称为分子钟假说）。

Emanuel Margoliash 于 1963 年首次注意到遗传等距离现象，他写道： 似乎任何两个物种的细胞色素 c 之间的残基差异数量主要取决于自导致这两个物种最初分化的进化线以来经过的时间 . 如果这是正确的，那么所有哺乳动物的细胞色素 c 应该与所有鸟类的细胞色素 c 同样不同。 由于鱼类比鸟类或哺乳动物更早地从脊椎动物进化的主干中分离出来，因此哺乳动物和鸟类的细胞色素 c 应该与鱼类的细胞色素 c 同样不同。 同样，所有脊椎动物细胞色素 c 都应该与酵母蛋白有相同的差异。 例如，鲤鱼与青蛙、乌龟、鸡、兔子和马的细胞色素 c 之间的差异恒定在 13% 到 14%。 同样，细菌与酵母、小麦、蛾、金枪鱼、鸽子和马的细胞色素 c 之间的差异范围为 64% 至 69%。 与 Emile Zuckerkandl 和 Linus Pauling 的工作一起，遗传等距离结果直接导致了 1960 年代早期分子钟假说的正式假设。

同样，Vincent Sarich 和 Allan Wilson 在 1967 年证明，现代灵长类动物之间白蛋白的分子差异表明，在他们评估的所有谱系中都发生了大致恒定的变化率。 他们分析的基本逻辑包括认识到，如果一个物种谱系自其共同祖先以来比姐妹物种谱系进化得更快，那么外群（亲缘关系更远）的物种与进化更快的物种之间的分子差异应该更大（ 因为在该谱系上会积累更多的分子变化）而不是外群物种和进化较慢的物种之间的分子差异。 这种方法被称为相对速率测试。 例如，Sarich 和 Wilson 的论文报告说，人类 (Homo sapiens) 和黑猩猩 (Pan troglodytes) 白蛋白免疫交叉反应表明它们与 Ceboidea（新世界猴）物种大致相同（在实验误差范围内）。 这意味着自他们共同的祖先以来，他们都积累了大致相等的白蛋白变化。 在他们测试的所有灵长类动物比较中也发现了这种模式。 当用少数有据可查的化石分支点（例如在 K-T 边界之前没有发现现代灵长类动物化石）进行校准时，这导致 Sarich 和 Wilson 争辩说人类与黑猩猩的分歧可能仅发生在大约 4-6 百万年前 .

观察类似钟表的分子变化率最初纯粹是现象学的。 后来，木村元男的工作发展了分子进化的中性理论，预测了分子钟。 假设有 N 个个体，为了简化计算，让个体为单倍体（即每个基因都有一个副本）。

令新个体的中性突变率（即对适应度没有影响的突变）为 μ {\displaystyle \mu } 。 这种新突变在种群中固定下来的概率是 1/N，因为基因的每个拷贝都和其他任何拷贝一样好。 每一代，每个个体都可以有新的突变，因此整个种群中有 μ {\displaystyle \mu } N 个新的中性突变。 这意味着每一代，μ {\displaystyle \mu } 新的中性突变将变得固定。 如果在分子进化过程中看到的大多数变化是中性的，那么群体中的固定将以等于个体中性突变速率的时钟速率积累。