分子生物技术在动物系统分类上之应用-清华大学生命科学系.doc

分子生物技術在動物系統分類上之應用 邵廣昭 國立臺灣海洋大學海洋生物研究所 中央研究院動物研究所 摘要 隨著分子生物技術之飛躍進展，將其應用在生物系統分類與演化方面之研究也成為目前極為熱門的一項課題。它雖可增加許多基因層次的形質，提供系統分類研究一項嶄新與具突破性之工具，協助解決或印證若干過去以傳統方法所難以解決的問題，但這些方法的本身也有其問題或缺點存在。本文係將筆者於本年度於中山大學所舉辦之「分子生物技術在生物分類上之應用」研習會中之演講內容予以整理而成。由於筆者之專長並非在分子生物技術，故僅能就動物系統分類學原理與方法之演進，分子生物技術應用於動物分類學之進展與現況予以介紹，並舉若干實例予以說明。文末並特別列述若干重要之書籍，文獻與電腦分析軟體，使有志於利用分子生物技術從事動物系統分類研究的同仁或學生，能多一份有用的參考資料。 一、生物分類觀念與方法之演變 早期生物學的研究領域只有系統分類學（systematics），特別從林奈（ Linnaeus）1758 年開始對生物有正式命名之分類系統時起。當時的分類和生物的進化尚無關連，直到Darwin 1859, Haeckel 1866 才倡導分類系統最好能符合生物之演化關係（Mayr 1983, Mayr Ashlock 1991）。支序分類學派（cladistics）更是強調只有符合生物類緣關係的分類系統才是最自然的，最正確的。在種之觀念上亦強調親緣種（phylogenetic species）而摒棄Mayr 的生物種（biological species）觀念；亦即由子孫共有或可鑑別之形質(synapomorphic or diagnostic characters)所定義或進化來的單元體系（monophyletic group）才是建立生物分類系統或親緣關係的正確方法。在此期間，雖然亦有不同分類學派分別提出不同的分類原則或理念 ，特別是較早的表型分類學派（phenetics）倡導分類的目的，不一定要反映生物之血緣關係，只要根據生物之所有形質之表型相似性即可，既客觀又方便。由於支序與表型二學派之基本理念不同，涉及哲理問題而難以用科學試驗來證明孰是孰非或孰優孰劣。因此使目前之分類理論與分類結果有許多不一致或矛盾的情形。 在分類實際操作方法方面，另一歸類方法是分成（一）傳統或稱古典分類（Traditional, classical taxonomy），主要利用形態為依據；(二）細胞分類學（Cytotaxonomy）根據染色體之數目或形態；（三）化學分類學（Chemotaxonomy)包括免疫電泳或蛋白質、酵素、次級新陳代謝產物之有機化合物等；（四）分子分類學（Molecular taxonomy），利用 DNA或RNA 之序列比較。另外所謂的數值分類學（Numerical Taxonomy）因本身並不會產生新的形質或特徵（Characters），只是利用前述四項方法所得到的形質，予以整理變成數值予以分析，故實際上只是一種數值或多變值統計分析方法而已，不應該和上述四種分類方法并列。本文所介紹的分子生物技術即屬於分子分類學的範疇，它能夠獲得過去無法得知之基因庫的分子資料，因此不但多了一個新的形質組（Character suit），而且可以增加形質的數目甚多，對探討生物彼此間之血緣關係或分類系統又開啟了另一扇大門。然而以上四種方法所獲得之資料，均可以用表型或支序的原理或方法來分析，並不一定只能用支序學派的方法。分子生物技術所獲得之資料亦然，在這方面本文不擬詳予討論。 二、分子生物技術應用於動物分類學之興起 廿世紀以來之系統分類研究可說分成兩方面 ，一為由 systematists研究phylogeny，一為由 population genetists 研究microevolutionary change。而事實上兩者關係十分密切。過去分類學家均借重形態或行為上之資料 ，直到1960 年開始隨遺傳學之發展而開使採用細胞與生物巨分子的資料 。如免疫方法應用在系統分類 ，最早是 Goodman（1961）研究hominoids 之進化 ；同功異構（Isozyme）之電泳技術研究果蠅種間之蛋白質變異（Hubby Lewontin, 1966），如今此方法已成為最普遍之分子系統分類學技術（Avis, 1974, Lewontin 1974, Buth 1984）。 自從Zuckerkandal Pauling（1962）提出胺基酸序列可推知「分子時鐘」（molecular clock）後 ，分子資料更是廣泛被應用在推算生物種間分歧或拓殖之年代。分子資料可以量化來計算遺傳距離，確是過去傳統形態、生態、行為等形質所不易作到的。染色體構造及數目的變異也提供分類及種間關係許