進(jìn)化生物學(xué)家探索歷史在進(jìn)化中的作用

如何預(yù)測(cè)進(jìn)化？生物學(xué)家一直在爭(zhēng)論歷史對(duì)進(jìn)化重復(fù)性的影響程度。

11月9日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇評(píng)論非常詳細(xì)地討論了進(jìn)化可預(yù)測(cè)性的復(fù)雜性。其中，來(lái)自肯尼亞學(xué)院、密歇根州立大學(xué)和圣路易斯華盛頓大學(xué)的研究人員仔細(xì)研究了大量關(guān)于進(jìn)化的重復(fù)性和偶然性的實(shí)證研究證據(jù)，以充分質(zhì)疑偶然性在進(jìn)化中的作用。

進(jìn)化論的可預(yù)測(cè)性顯然是由已故古生物學(xué)家史蒂芬杰古爾德提出的，他在1989年的著作《奇妙的生活》中主張進(jìn)化是偶然的、不可復(fù)制的。“把帶子重復(fù)一百萬(wàn)遍.我懷疑像智人這樣的東西會(huì)不會(huì)再次發(fā)展，”古爾德若有所思地指出，不可能“重播磁帶”并給歷史帶來(lái)重建。自《奇妙的生活》出版以來(lái)，許多進(jìn)化生物學(xué)家接受了這一挑戰(zhàn)，并開(kāi)展了他們自己版本的古爾德實(shí)驗(yàn)，盡管規(guī)模很小。在這樣做的過(guò)程中，他們對(duì)突變的隨機(jī)性、偶然歷史事件之間的相互作用以及自然選擇給出的方向得出了不同的結(jié)論。

“歷史是如何運(yùn)作的，并不是真的可以預(yù)測(cè)。歷史依賴于充滿微小細(xì)節(jié)的長(zhǎng)鏈?zhǔn)录?。一名?lián)邦士兵發(fā)現(xiàn)了一堆裹著聯(lián)邦軍行軍令的雪茄，這導(dǎo)致了安提坦戰(zhàn)役和林肯的解放宣言。如果那些雪茄沒(méi)有被丟棄，或者沒(méi)有被聯(lián)盟士兵發(fā)現(xiàn)怎么辦？進(jìn)化也是類似的，因?yàn)樗鼤?huì)長(zhǎng)期發(fā)揮作用。一個(gè)長(zhǎng)期的、獨(dú)特的事件鏈包含了很多機(jī)會(huì)。與歷史不同，進(jìn)化具有自然選擇的決定性力量，但決定論始終處于緊張狀態(tài)。這種緊張關(guān)系如何影響進(jìn)化的事物？哪個(gè)更重要：處理歷史細(xì)節(jié)，還是肯定？”密歇根大學(xué)高級(jí)研究員、肯揚(yáng)學(xué)院生物學(xué)助理教授扎卡里布朗特說(shuō)，他是這篇評(píng)論的主要作者。

布朗特參與了MSU微生物生態(tài)學(xué)杰出教授理查德連斯基和圣路易斯華盛頓大學(xué)威廉丹福思大學(xué)杰出教授喬納森洛斯的工作。

“重播生活樂(lè)隊(duì)的想法——有一個(gè)新的開(kāi)始——是幾乎每個(gè)人在自己的生活中都想到的事情。這是生物學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)一直感興趣的事情，但在地球生命史上的大范圍內(nèi)，”倫斯基說(shuō)?！白詮墓艩柕乱朐佻F(xiàn)生命視頻的隱喻以來(lái)，許多研究試圖描述進(jìn)化的可重復(fù)性。我們的評(píng)論表明，沒(méi)有簡(jiǎn)單的答案：有時(shí)進(jìn)化會(huì)產(chǎn)生驚人相似的解決方案，而在其他時(shí)候，發(fā)展中的血統(tǒng)會(huì)在相同的情況下走完全不同的道路。我認(rèn)為這是進(jìn)化的魅力和美麗的一部分。它產(chǎn)生了預(yù)期和意外，也許是在我們的個(gè)人生活中，但規(guī)模更大。”

古爾德的思想實(shí)驗(yàn)仍然引起了激烈的爭(zhēng)論，部分原因是古爾德在如何描述他的重演隱喻時(shí)引入了不一致，混淆了偶然性的概念。古爾德經(jīng)?；煜芭既恍浴钡膬蓚€(gè)常見(jiàn)含義：依賴其他事物和意外。

洛索斯說(shuō)：“關(guān)于古爾德的想法，有很多不同的文件，這些文件不會(huì)相互對(duì)話?！斑€有微生物進(jìn)化研究。所有關(guān)于收斂進(jìn)化的研究，還是缺乏收斂進(jìn)化。還有一份關(guān)于古爾德所說(shuō)的“重放磁帶”的哲學(xué)文件。也就是說(shuō)，更一般地說(shuō)，當(dāng)你談?wù)撌鹿实淖饔脮r(shí)——這是古爾德使用的術(shù)語(yǔ)——它到底意味著什么？”

他們對(duì)現(xiàn)有實(shí)證研究的回顧主要集中在三類“重放研究”:快速進(jìn)化生物的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化實(shí)驗(yàn)；在自然界中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)；將相似條件下的進(jìn)化譜系與自然實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。綜合分析揭示了進(jìn)化變化的復(fù)雜圖景，其中偶然性和決定論是顯而易見(jiàn)的。

布朗特、連斯基和洛斯研究了許多不同類型的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，包括平行重放實(shí)驗(yàn)和分析重放實(shí)驗(yàn)，在平行重放實(shí)驗(yàn)中，相同的生物種群在相同的條件下分別進(jìn)化，在分析重放實(shí)驗(yàn)中，樣品從平行重放實(shí)驗(yàn)中冷凍，然后從不同的時(shí)間點(diǎn)復(fù)活并重新進(jìn)化。這篇綜述包括由連斯基于1988年開(kāi)始的大腸桿菌(LTEE)的長(zhǎng)期進(jìn)化實(shí)驗(yàn)。LTEE已經(jīng)追蹤了12個(gè)大腸桿菌種群，它們是由一個(gè)克隆構(gòu)建的，有超過(guò)70，000代。每個(gè)種群的樣本每500代冷凍一次，這使得研究人員能夠直接將不斷變化的細(xì)菌與其祖先進(jìn)行比較。

布朗特、連斯基和洛斯還研究了試圖在自然環(huán)境中復(fù)制進(jìn)化的實(shí)驗(yàn)。到目前為止，這樣的實(shí)驗(yàn)只有少數(shù)，他們對(duì)這些實(shí)驗(yàn)的回顧表明，它們?cè)趯?duì)不同歷史條件的進(jìn)化反應(yīng)中是高度可重復(fù)的。

他們對(duì)“自然實(shí)驗(yàn)”比較研究的回顧進(jìn)一步澄清了進(jìn)化可預(yù)測(cè)性的證據(jù)。類似的特征可以在許多物種中獨(dú)立進(jìn)化——例如，加勒比海的蜥蜴，它們進(jìn)化出了腿和尾巴的長(zhǎng)度等特征，以緩解它們?cè)谔囟⒌氐纳?。然而，正如他們的評(píng)論所示，進(jìn)化的趨同并不總是如此。事故可能在各種特征的不同演變中發(fā)揮重要作用。

洛索斯說(shuō)：“我們清楚地看到，在自然界中，趨同和缺乏趨同的情況會(huì)發(fā)生很多。

說(shuō)。“僅僅繼續(xù)添加到兩個(gè)列表中是沒(méi)有用的。人們現(xiàn)在轉(zhuǎn)向的真正問(wèn)題是：為什么有時(shí)會(huì)出現(xiàn)融合而不是其他人呢?這就是現(xiàn)在研究的目標(biāo)。這是我們需要關(guān)注的問(wèn)題。 “

他們的審查部分得到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，BEACON行動(dòng)演變研究中心，密歇根州立大學(xué)和哈佛大學(xué)的資助。