如果世界从零开始，生命将有何不同

5毫秒之内，一只水巫螈便可弹出舌头——这包括它的肌肉，软骨和部分骨骼——捉住路过打酱油的小飞虫。在两栖动物中，水巫螈是速战速决的第一把好手。相比之下，青蛙和变色龙迟钝得就像王员外家的傻儿子。

“我花了大约50年研究蝾螈舌头的演化，”美国加州大学伯克利分校的进化生物学家大卫·威克说道，“这是特别有趣的案例研究，因为蝾螈这种慢吞吞的动物居然能做出脊椎动物中最快的动作。”在血统传承中，蝾螈进化出了一种以舌捕猎的更好方式。这种独特的适应过程独立进化出了三种彼此毫无联系的蝾螈种类。这是一个趋同进化的案例——不同的物种在相同的的环境压力下单独发展出了类似的生物适应。每当有人提起进化生物学上那个老掉牙的问题——“如果能把‘生命的磁带’倒带，进化是否还会重演”时，威克都会以蝾螈来举例。对蝾螈来说，答案是肯定的；而对其他生物来说就未必如此。

这个经典问题是年由已故进化生物学家史蒂芬·杰伊·古尔德在其著作《奇妙的生命》中提出的，出版时人们还处在用磁带听音乐的时代，所以才有了如上的问题。在书中，古尔德论述了五亿二千万年前寒武纪时期各种奇特海洋生物，它们的化石被保存在伯吉斯页岩中。几乎所有今天的生物都可以顺藤摸瓜在寒武纪找到自己的老祖宗，然而寒武纪的每一种动物并不是都有存活到今天的后代。很多寒武纪的物种因为缺乏竞争力灭绝了，或者是因为它们在火山爆发、小行星撞击和其他天灾发生时，在错误的时间出现在了错误的地点。

古尔德研究了伯吉斯岩层中不可思议的生物多样性，得出结论：如果历史以另一种方式展开，今天的生物将会是另一种面貌。随机变异和意外灭绝——这些被古尔德以“历史偶然性”冠之的活动——会相互叠加，总会把生物进化引到某个方向上。在古尔德看来，如果穿越回寒武纪再来一遍，包括人类在内的每种动物都有可能不复存在，因为活下来只是小概率的偶发事件。

尽管古尔德在书中大量引用了剑桥大学古生物学家西蒙·康威·莫里斯对伯吉斯化石群的研究成果，康威·莫里斯却非常不同意古尔德的观点。

康威·莫里斯相信，因为地球上的生态位数量有限，随着时间推移，自然选择只会引领生物进化出有限的适应性。这使得不相干的生物渐渐趋同为相似的身体结构。“生物必须依据物理、化学和生物世界的现实情况进行自我调整。”他说。康威·莫里斯认为，这些约束决定了即使从头再来一遍，进化还是会不可避免地再造出于今天相似的各种生物。他相信，即便人类的“猿祖”没有进化出聪明的大脑和智力，也会有其他诸如海豚或乌鸦之类的其他物种填补人类现在所处的位置。对此古尔德并不赞同。

两位学者都认可进化中存在着趋同性及偶发性。二者争论的焦点在于关键性变化，比如人类智能，其可重复或独特性有多少。与此同时，其他生物学家就这一谜题进行了研究，说明了趋同性和偶发性是如何相互作用的。对这两种相互作用力的理解可以揭示每种生物是亿万年机缘巧合下来的幸运儿，还是命中注定的产物。

密歇根州立大学的进化生物学家理查德·伦斯基没有试图通过化石重建历史，而是决定在他自己实验室的可控环境中对趋同性及偶发性进行实时观察。

年，他将单种群的大肠杆菌分置在12个装有营养液的烧瓶中，让它们各自生长。在过去的26年中，每过数月他或者他的学生就会冷冻一部分细菌样本，建立档案。这样一来，伦斯基可以通过解冻样本从任意阶段开始大肠杆菌的生命，观察细菌是如何从基因和镜下两方面改变的。伦斯基说：“整个实验的目的就是测试进化的可重复性。”

在伦斯基的11个烧瓶中，大肠杆菌都在体型上变得更大，然而有一个烧瓶中的细菌却自我划分出了不同的谱系——一种细胞大，一种细胞小。“我们称它们为小个子和大个子，”伦斯基说，“它们已经共存了代了。”实验中的其他种群都没发生这种情况；历史性的偶然似乎已经产生了。即使是26年后，其他大肠杆菌也没有进化出这种情况。在这一案例中，偶然性似乎战胜了趋同性。

年，另一个偶然事件发生了。其中一个烧瓶中的大肠杆菌数量激增，透明的营养液都变浑浊了。伦斯基起初还以为烧瓶被污染了，后来发现，原本以营养液葡萄糖为食的大肠杆菌居然逆天地进化出了摄取瓶中另一种化学成分——柠檬酸的本事。经过15年，或者说代，只有一个种群的大肠杆菌有能力吃掉这种物质，其种群规模也因此扩大了5倍。

这一“历史性的偶然”让伦斯基和他的学生扎克利·布朗特有机会检测如果再来一次，发生同样事件的几率有多大。布朗特从冷冻大肠杆菌库中选取了不同阶段的、后来进化出代谢柠檬酸能力的72个样本，将它们解冻，令其生长。最终，72个样本中的4个获得了这种能力。而且，这种变异只发生在代后的种群中。基因分析表明，部分基因在这一节点之间就经历了增强柠檬酸代谢力的变异。换句话说，摄取柠檬酸的能力取决于这之前的其他变异。是这些变异在进化中分出了岔道，改变了后代的前进方向。

这次大肠杆菌项目又名“长期进化实验”，迄今已延续了代，赋予了伦斯基一个庞大的数据集来推论进化中偶然与趋同的相互作用。细菌DNA中微妙的变化使它们变得更大，从而能更好地在烧瓶中繁殖，这在几组中相对来说较常见。同时，伦斯基也目睹了一个种群做出与其他种群完全不同行为的“奇葩”偶发案例。但是在趋同中，他补充道，这些变形不是完全随机的。

“并不是一切皆有可能，”威克解释道。“生物都是在它们遗传性状的框架中进化的。”生物不会遗传致命或导致其无法繁殖的变异。

在水巫螈这里，它们的祖先必须克服一项严重缺陷：为了获得百发百中的舌头，它们不得不放弃肺。这是因为它们的舌头部分源自压缩空气入肺的肌肉。现在，之前那块小而孱弱的肌肉已经变得大且强壮得多了。它像弹簧一样缠绕在嘴部后方的一块锥形骨上，当肌肉收缩，这块骨骼便产生动力将舌头弹射出嘴巴。

因此，水巫螈的祖先不仅获得了变异，还进化出了更快的舌头。随着一系列变异，对环境的适应使这种生物不再依赖肺来获取氧气与浮力。每个变化都取决于上一个变化。

变色龙则保留了肺。它们没有对肺部结构进行重组，而是进化出了一片胶原质使它们能将舌头对准猎物抛射出去。

从表面上看，蝾螈和变色龙的舌头趋同，但这个结论禁不起细致观察。变色龙弹出舌头要花20毫秒，跟蝾螈的5毫秒比起来简直像慢动作一样。为什么变色龙的舌头动作一直这么慢呢？答案是在趋同进化中它们遇到了困难。变色龙的舌头速度已足够保证它们活下来，但是它们缺乏水巫螈进化出致命利器的“遗传性状框架”。变色龙已经达到了生物学家所谓的“自适应峰值”。

在感染细菌的噬菌体实验中，哈佛大学生物学家大卫·刘也发现了自适应峰值。这种峰值限制了生物趋向同一种最优结构。这就解释了为何偶发事件并不能经常被重复。

刘想知道，如果对同一组噬菌体施加同样的压力，是否能分别进化特定的酶。他用一种名为PACE的系统加速了病毒内蛋白进化的速率。

在实验过程中，无法产生刘想要的那种酶的病毒被从研究中移除，达到目标的才被留下来。在这些病毒中，有些比其他的产生的酶更“好”。尤其是一种聚合酶可以辨识出特定DNA序列，并将其转化成RNA。有些聚合酶可以非常精准地辨识出DNA序列，其他的就差强人意。

如同变色龙的慢舌头，这些病毒进化出了使其存活下来的本领，却同时也失去了获得更好聚合酶的能力。有些病毒停滞在较低的顶峰，有些则止步于更高的峰顶。

想明白生物学家口中的“自适应峰值”是什么意思，就请想象在画面中，地形代表了繁殖潜能的高低。在刘的噬菌体例子中，不同的种群通过获得各种变异来探索这片土地。有些来到了小山丘的旁边，有些则来到了珠穆朗玛峰旁边。它们顺着眼前的山峰爬得越高，就越容易活下来。一旦爬到小山丘的顶端，这些病毒就不能向更高更好的山峰移动。如果想去更高更好的地方，它们需要原路返回，那么每向下一步就将降低它们的生存力。这可麻烦了，因为生存才是最重要的。哪种变异在先——即要开始爬哪座山——是历史的偶然，对于趋同进化来说是困难到几乎不可能改写的。

变异的时机才是关键。“创造了基因库区别的早期随机事件对决定一种有益突变是否能影响生物存活有深远的影响。”刘说道。“这种随机性侵蚀了进化的可重复性。”在这一实验中，偶发性战胜了趋同性。过去的事件阻止了可重复性。

由密歇根州立大学计算机生物学家克里斯·阿达米与查尔斯·奥夫利亚牵头的对数字有机体的研究或许能使生物超越自适应峰值的限制。他们编写了一个叫做Avida的计算机程序，数字有机体可在实验人员设定的环境中进化。这些数字有机体包含可以让它们解决数学问题的代码，使它们得以

通过获得和失去使它们能够解决数学问题的代码，这些数字有机体随机进行变异，以增强自身繁殖能力。

在一次实验中，数字有机体被设定为要进化出解决复杂逻辑问题“位元值相等”的能力。50个数字种群中，只有4个进化出了足以完成这一运算的代码。而这些种群一开始都经历过降低其数学运算力即存活力的异变。这似乎有悖常理，但奥夫利亚发现，早期负面的变异对改善后代健康至关重要。这或许是因为这些不好的变异增加了基因多样化，为日后的随机变异提供了土壤。

特定一连串事件的罕见性是否意味着进化过程中的重要转变不容易被复制呢？实验结果显示确实如此，但傲娇的康威·莫里斯坚定地认为，不。“要否认意外的发生是愚蠢的。问题在于时间尺度。”他说。只要时间够长、变异基因组够多，他相信自然选择终会将生命引向不可避免的改变，这些改变最适合生物的生态位，不论过程中有何等偶发事件。他相信有一天，伦斯基实验里所有的大肠杆菌都会进化出分解柠檬酸的能力，所有刘的病毒都最终能勇攀珠峰。

目前，所有试图解决“生命倒带问题”的回答都有一个最大的缺陷：生物学家只能基于地球生物界得出自己的结论。与外星生命的邂逅无疑会告诉我们更多信息。尽管外星生命不一定有DNA，它们也很有可能具有类似地球生命的进化形式。它们也需要传给后代的素材，来指引生物在未来的发展和变化。正如伦斯基所言，“适用于大肠杆菌的也适用于宇宙中任何地方的微生物。”

所以，趋同性与偶然性间的相互作用也可能在其他星球上演。如果外星生命面临类似的进化压力，未来的人类也许会发现和我们相仿的外星智慧生命。另一方面，如果偶然事件累积，使生命的进程如古尔德认为的那样走上独特的道路，外星生命也可能以我们完全想不到的形式存在。

古尔德相信，人类的出现是“发生概率极低的进化事件”。作为证据，他指出，类人的智慧生命在地球25亿年间只进化出一次。他认为其他物种进化出类人智慧的可能性几乎小到不可能。至少目前为止，我们还只是所知的宇宙中唯一的智慧物种。这一表象背后的深意远远超越了生物学范畴。

“有人对此感到沮丧，”古尔德在《奇妙的生命》中写到，“我却一向对此感到振奋，并且将之视作自由和随之而来的道德责任感的源泉。”

文章来源：Nautilus

文章作者：ZachZorich

编译：未来论坛商白

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