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English Russian 关于我们 2011年12月26日 星期日
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如果世界重来一遍,人类还会出现吗?

  在不到五毫秒的时间里,一只穴螈属(Hydromantes)的动物可以把舌头弹射出嘴巴,抓住一只正在飞行的倒霉虫子。这是两栖动物有尾目蝾螈亚目里的一种无肺螈,它的舌头包括肌肉、软骨和一部分骨骼。在两栖类当中,它是快速捕食项目的冠军。同样是用舌头抓虫子,受制于解剖结构,蛙类和变色龙的动作则相对要慢得多了。


不到五毫秒就能完成捕食的穴螈 | BBC

  太快了?放慢40倍来看——


放慢40倍 | BBC

  “我花了大概 50 年的时间去研究蝾螈舌头的演化,”加州大学伯克利分校的演化生物学家大卫·韦克(David Wake)说,“这事儿太有趣了,蝾螈这种做什么事儿都不快的,居然能做出我印象中脊椎动物里最快速的动作。” 在它们的谱系中,演化让它们能够更好地用舌头完成捕猎。这种适应特征看上去独一无二,但它似乎也在其他三种无关的蝾螈身上独立演化出来了。这是一个“趋同演化”的例子,也就是说,面对相同的环境压力,不同的物种会各自发展出一些相似的生物适应特征。

  “如果生命倒带重播,所有物种的演化剧情是否会重新上映一次?”当问到这个被问了几十年的老问题时,韦克会首先以蝾螈作为例子。在蝾螈身上,答案似乎是肯定的;但在其他生物体上,或许就不会了。

布尔吉斯页岩:同样的化石,不同的观点

  这个问题的闻名,与演化生物学家史蒂芬·杰伊·古尔德(Stephen Jay Gould)有关。1989年,他在《奇妙的生命:布尔吉斯页岩中的生命故事》一书中提出了这个问题(并用了“磁带”这个意象,毕竟年代不同了)。这本书讨论了无数陌生动物留下来的化石,这些寒武纪时期的动物生活在大约 5.2 亿年前的海洋里,并且以化石形式保存在布尔吉斯页岩(Burgess Shale)中。


布尔吉斯页岩区域的卫星影像 | Jesse Allen / NASA

  几乎所有现在的动物,都能在寒武纪找到自己的祖先;但却不是所有生活在寒武纪时期的动物,都在今天仍然有后代。许多寒武纪的物种已经灭绝了,有的是因为不足以适应竞争,有的则是当火山爆发、小行星撞击或其他灭绝事件发生时,它们在错误的时间出现在了错误的地点。

  布尔吉斯页岩的动物群,多样性高得难以置信。古尔德由此推论,如果历史以另一种方式展开,那么今天的生命将会不同。古尔德把这些随机的突变和偶发的灭绝称为“历史偶然性”,他认为,这些突变和灭绝相辅相成,驱使着生命的演化在不同的路径上行进。在他看来,包括人类在内的每一种动物,其存在都是一个极其罕见的事件;如果倒带回寒武纪时期再重来,这些都不可能再发生。


布尔吉斯页岩内发现的第一个完整的奇虾化石 | Keith Schengili / Wikimedia Commons

  在书里,古尔德大量引用了剑桥大学的古生物学家西蒙·康威·莫里斯(Simon Conway Morris)对布尔吉斯页岩的研究;但是,康威·莫里斯本人却强烈反对古尔德的观点。

  康威·莫里斯认为,随着时间的推移,在自然选择的作用下,生物体将演化出数量有限的适应特征,以应对地球上同样数量有限的生态位。这会让那些没有关联的生物体,都逐渐趋同演化成相似的体态。他说:“生物体必须根据物理、化学和生物世界的现实情况来配置自己。”在康威·莫里斯看来,因为有这些限制,演化如若倒带重来,最终重新产生的生物体也必然和现在的那些相似。他相信,如果人类的猿类祖先没有发展出大体积的脑部和智慧,那可能就会有其他的动物——例如海豚或乌鸦,来填补我们现在所占据的生态位。这种观点,古尔德并不同意。


欧巴宾海蝎的艺术化形象。这是一种寒武纪生物,与象鼻相似,
它长长的吻部可能是用来寻找海底的食物,并且将其传送回它奇异的、向后的嘴巴 | Nobu Tamura

  其实,这两位学者都认同,趋同性和偶然性是同时存在于演化之中的。他们争论的是,像人类智慧这样关键的适应特征,是否可重复,或者是否独一无二。其他生物学家也参与了这个谜题的解答,并且揭示出趋同性和偶然性是如何相互作用的。理解这两种力量的相互作用,可以让我们知道,到底每一种生物都是几十亿年链条上机缘巧合得来的幸运产物,还是说,不管是蝾螈还是人类,我们这些生物的演化,都是如同死亡与税收一样逃不掉的存在。 

  大肠杆菌:三十年一遇,是随机发生的吗?

  为了解开这个谜题,理查德·兰斯基(Richard Lenski),来自美国密歇根州立大学(Michigan State University)的演化生物学家采取了和古生物学家不同的方式。他并不打算用化石来重建历史;他想看的是,在实验室里的受控环境下,趋同性和偶然性如何实时作用。


兰斯基用大肠杆菌进行实验,这是显微镜下迅速增殖复制的大肠杆菌细胞
| Stewart EJ, et al. / PLOS Biology(2005)

  1988 年,他将来源于同一个大肠杆菌(Escherichia coli)的细菌种群,分进 12 个装有液体培养基的烧瓶里,由它们各自进行演化。在过去 30 年里,他或他的学生每几个月都会把一些细菌样本冻存下来。有了这份冷冻微生物的档案,兰斯基只要将样本解冻,就可以从任意一个想要的时间点,开始重播大肠杆菌的生命历史。这样,他可以检测出这些细菌是如何变化的,包括基因上的和显微镜下可见的改变。兰斯基说:“这一整个实验就是用来测试演化如何重复。”

  在这其中的11个烧瓶里,大肠杆菌都变得更大了。但有一个烧瓶却不同,里面的细菌自己分出了不同的支系——一个支系的细胞比较大,另一个的比较小;它们现在已经共存了超过 60000 代。只有这一个种群出现了这种情况,这样看来,似乎是发生了一个历史偶然性事件。甚至在 30 年后,也仍然没有其他任何一个大肠杆菌的种群,发展出这样一大一小的两个支系。在这个例子里,偶然性似乎打败了趋同性。


2008年,12个历经了20年繁衍的大肠杆菌种群 | sciencemag.org

  2003年,另一个偶然性事件发生了。原先这些培养基溶液都是半透明的,但有一瓶却变浑浊了。一开始,兰斯基以为是被污染了;但结果并非如此。通常来说,大肠杆菌以溶液里的葡萄糖为食;但这一瓶细菌,却发展出了另一种方式——它们能够利用培养基里的另一种化学物质柠檬酸盐作为食物。在实验开始的15年后,也就是大约31500代之后,只有这一个种群能够将它作为营养物质。这个种群也因此迅速增长,规模扩大了5倍,细菌太多,把溶液弄浑了。

  有了这一个历史偶然性事件,兰斯基和他的学生扎克瑞·布朗特(Zachary Blount)就能够测试这个问题:如果倒带重播,一切重新发生的可能性有多少?在冻存的大肠杆菌中,布朗特挑了 72 个不同阶段的样本,都来自那个后来演化出柠檬酸盐代谢的种群。他将它们解冻,让它们继续生长。最后,在72个样本里,有4个获得了这种代谢能力;并且,这个突变只在30500代之后冻存的样本里才出现。从基因分析的结果来看,在出现柠檬酸盐代谢之前,有几个基因已经发生了突变,这些突变推动了之后演化事件的发生。换句话说,这种利用柠檬酸盐的能力,依赖于之前出现的其他突变。这些突变形成了分岔口,改变了之后的世代所能够行进的路径。


2017年,兰斯基亲自进行了第10000次转接 | myxo.css.msu.edu

  这个著名的大肠杆菌项目,被叫做“长期演化实验”(The Long-Term Evolution Experiment),它们现在已经超过了 70000 代。兰斯基由此获得了一个深度数据集,并且可以从中推论出偶然性和趋同性在演化过程中的相互作用。在不同组的细菌之间,有一些变化是相对常见的,例如那些发生在细菌 DNA 上的、让细菌变得更大而且更容易在烧瓶中繁殖的微小变化。但同时,兰斯基也观察到了一些引人注目的偶然性事件,在这些事件里,某个种群出现了与其他种群完全不同的现象。不过,兰斯基补充说,和趋同性一样,这些转变并非是完全随机的。

穴螈与变色龙:为什么变色龙的舌头比较慢?

  无论过程如何,“并非一切皆有可能。”韦克解释道,“生物体在它们自己的‘遗传特征框架’下进行演化。”它们不可能传递那些会杀死自己、或者阻止自己繁殖的突变。在穴螈属的例子里,它们的祖先不得不克服一个重要的限制:为了获得这种能够快速弹射的舌头,它们必须牺牲掉肺。这是因为,它们的舌头部分源于一些肌肉,而这些肌肉的前身其实是用来将空气泵进肺里的。之前小而弱的肌肉,现在变得更大、更强壮了。它就像弹簧一样,包裹在嘴巴后部的一块锥形骨周围;当肌肉收缩时,这块锥形骨的力量可以将舌头连带着它的骨骼一起发射出嘴巴。

  因此,穴螈的祖先不仅仅是获得突变、演化出快速弹射的舌头而已;实际上,这个适应特征建立在一系列的突变之上,这些突变首先要让生物体克服对于肺的依赖,毕竟那原本是用来控制氧气和浮力的。每一个变化,都取决于它之前的变化。


穴螈的舌头,需要先克服对肺的依赖 | SM Deban & DB Wake / Nature(1997)

  和穴螈不同的是,变色龙保留了它们的肺。它们并没有去重新规划肺部的结构,而是演化出了一块胶原蛋白,可以让它们在捕食的时候弹射出舌头。表面上看来,穴螈和变色龙的舌头似乎是趋于一致了;但如果仔细观察,你会发现并非如此。变色龙捕食时,大概要用20毫秒来射出舌头;这比起穴螈的5毫秒,可实在是太慢了。为什么变色龙不得不用这么慢的舌头捕食?这是因为,它们遭遇了一些实现趋同演化的阻碍。变色龙舌头的速度,已经足以确保它们的生存;但它们的“遗传特征框架”与穴螈不同,无法发展出那种更致命的弹射舌头。用生物学家的话来说,变色龙已经到达了“适应峰”(adaptive peak)。


一种小型变色龙用舌头捕食(放慢50倍)| Christopher Anderson

噬菌体:是什么限制了演化的顶峰?

  哈佛大学的生物学家刘如谦(David Liu)也在噬菌体(一种能够感染细菌的病毒)中发现了此类“适应峰”。这些适应峰,让生物体很难都发展出同一个最佳设计——这可以用来解释,为什么偶然性的事件不会经常重复。

  刘如谦想要知道的是,如果对几组相同的噬菌体施以相同的环境压力,它们是否会各自演化出某一种特定的酶。他利用一个叫PACE的辅助系统,来加速噬菌体内的蛋白演化速度。


一个典型的噬菌体结构 | Wikimedia Commons

  在实验过程中,病毒如果无法产生他想要的酶,就会被移除出去。留下的病毒都能合成这种酶,但这些酶的“质量”也有不同。具体来说,它们会产生一种聚合酶,这种酶能够识别某些特定的DNA序列,并且在转录成RNA的过程中发挥作用。有些聚合酶识别序列非常精准,其他的则要弱得多。就像变色龙有一个相对不那么快的舌头,这些病毒演出的适应特征也如此——足以维持生存,但它们无法获得更好的聚合酶。有的病毒被卡在了更低的顶峰,有的则能够爬到更高的地方。

  生物学家说的这种适应峰到底是什么?不如这样想象:这里有一片地形,它的地势代表着或高或低的生殖潜能。在刘如谦的噬菌体实验里,不同种群通过获得不同的突变,在这片地界上探索。有的停留在小山丘旁,有的则跑到像珠峰那样的高山旁边。它们在各自的山头上爬得越高,就越容易生存。所以,它们爬上了眼前的斜坡。要注意的是,病毒一旦抵达小山丘的顶点,就再也无法跑去另一座更高更好的山了。如果非要去,那它们必须先退着爬下山,这意味着它们要降低自身的适应力。这是很严峻的挑战,因为以“适者生存”是最紧要的,适应力降低就意味着死亡。因此,哪个突变首先出现,也就意味着生物体一开始要攀爬的是哪座适应峰,这种选择是一个历史偶然性事件——而趋同演化如果想要克服它,就算不是不可能,那也会非常困难。


不是所有病毒都会爬像珠峰那样高的“适应峰” | Joe Hastings / flickr

  突变的时机很重要。“早期的随机事件为基因池创造了差异性;而那些最终有益的基因能否影响生物体的存活,很大程度上也受这些早期随机事件的影响。”刘如谦说。“随机性消蚀了演化的重复性。”在这个实验中,偶然性最终战胜了趋同性,过去发生的事件对重复性造成了阻碍。

数字生命体:生命能够跨越适应峰吗?

  密歇根州立大学的计算生物学家克里斯·阿达米(Chris Adami)和查理斯·奥法里(Charles Ofria)的研究,则揭示了生命或许能够跨越适应峰的限制。他们开发了一个叫“Avida”的计算机程序,在这个程序里,数字生命体在实验人员设定的环境条件下进行演化。通过随机地获取或失去一些编码片段,这些生物体也会发生突变;这让它们有可能去解开一些数学问题,提高它们“繁殖”的能力。

  在一个实验中,他们为这些数字生命设定了一个任务:解开一个复杂的逻辑问题。在50个数字种群中,只有4个演化出了能够完成这一任务所必须的编码。有趣的是,所有成功的种群,在最初都有非常多的突变,也就是随机的计算编码片段;这让它们更难以解开数学问题,也就更难去繁殖。这看起来似乎有悖常理,但奥法里发现,那些早期的坏突变,对于提升后代的适应性十分重要。这可能是因为它们增加了基因的多样性,为之后的随机突变提供了基础。


运行中的Avida

  在演化过程中,一系列事件按特定顺序发生,这是非常稀有的情况——这是不是就能说明,演化中的重大转变难以重来?由实验来看,的确如此;但康威·莫里斯却会十分坚定告诉你:并不。“你不能愚蠢地断言说不会有这样或那样的事发生,问题其实在于时间的尺度。”

  他相信,不论过程中会有什么偶然性事件发生,只要有足够长的年限和足够多的突变基因,自然选择最终都会将生命推向那些必然的适应特征,让那些生物体能够与其生态位最好地匹配。在他看来,有一天,兰斯基实验里的大肠杆菌都将能够利用柠檬酸盐,刘如谦的所有病毒也终将攀上它们适应性上的珠穆朗玛峰。况且,这些实验都是在非常简单而且受调控的环境下进行的,这与生命在实验室之外所必须要经受的复杂生态环境相去甚远。你很难说得清,真实世界的环境压力可能会让结果发生怎么样的变化。

如果遇见外星人:我们是唯一的智慧生命吗?

  迄今为止,试图回答“生命倒带”这个问题的所有答案,都有一个最大的缺陷:生物学家的结论都只能基于同一个生物圈——地球。如果能和外星生命相遇,我们无疑可以了解更多。即使外星生命不存在 DNA,它们很可能也会有相似的演化机制。它们需要一些能够传递给后代的物质,这些会引导生物体的发展,并随着时间而变化。正如兰斯基所说:“适用于大肠杆菌的,也同样适用于宇宙间任何地方的微生物。”

  因此,趋同性和偶然性的这种相互作用,可能也同样在其他星球上演。如果外星生命面临着与地球生命相似的演化压力,未来人类可能会发现,外星人也趋同发展出了像我们一样的智慧[5]。反过来,如果像古尔德所说的,偶然性事件接踵而至,推动着生命走向一条独一无二的路径,那么外星生命可能就会是极其怪异的了。


人类会是宇宙间的唯一一个智慧生命吗?| Bruno Gilli / ESO

  古尔德认为,人类代表了一个“极其不可能的演化事件”。他的证据是,在地球生命长达25亿年的历史上,类似人类的智慧只出现过一次。会不会有另一个物种,像人类一样发展出智慧?在他看来,这件事情的可能性微乎其微。其实,将我们自己视为宇宙间可能是唯一的一个有感知能力的物种,这种想法本身还附带了一些生物范畴以外的重要含义。古尔德在《奇妙的生命》里写道:“有些人觉得(人类是唯一智慧生命的)前景令人沮丧,我却总为之感到振奋。我将它当成是一个源泉,它带来了自由,也带来了道德上的责任。”

 

  作者:Zach Zorich  翻译:麦麦  编辑:李子李子短信 

  编译来源:Nautilus: If the World Began Again, Would Life as We Know It Exist?

  http://nautil.us/issue/34/adaptation/if-the-world-began-again-would-life-as-we-know-it-exist-rp

  (由Nautilus授权果壳转载并翻译)原创: Zach Zorich 摘自:果壳