如果世界重來一遍,人類還會出現嗎?
2019-06-22 20:29

如果世界重來一遍,人類還會出現嗎?

作者 | Zach Zorich

翻譯 | 麥麥

編輯 | 李子李子短信

題圖 | 視覺中國


在不到五毫秒的時間里,一只穴螈屬(Hydromantes)的動物可以把舌頭彈射出嘴巴,抓住一只正在飛行的倒霉蟲子。這是兩棲動物有尾目蠑螈亞目里的一種無肺螈,它的舌頭包括肌肉、軟骨和一部分骨骼。在兩棲類當中,它是快速捕食項目的冠軍。同樣是用舌頭抓蟲子,受制于解剖結構,蛙類和變色龍的動作則相對要慢得多了。


不到五毫秒就能完成捕食的穴螈 | BBC


太快了?放慢40倍來看——


放慢40倍 | BBC


“我花了大概 50 年的時間去研究蠑螈舌頭的演化,”加州大學伯克利分校的演化生物學家大衛·韋克(David Wake)說,“這事兒太有趣了,蠑螈這種做什么事兒都不快的,居然能做出我印象中脊椎動物里最快速的動作。” 在它們的譜系中,演化讓它們能夠更好地用舌頭完成捕獵。這種適應特征看上去獨一無二,但它似乎也在其他三種無關的蠑螈身上獨立演化出來了。這是一個“趨同演化”的例子,也就是說,面對相同的環境壓力,不同的物種會各自發展出一些相似的生物適應特征。


“如果生命倒帶重播,所有物種的演化劇情是否會重新上映一次?”當問到這個被問了幾十年的老問題時,韋克會首先以蠑螈作為例子。在蠑螈身上,答案似乎是肯定的;但在其他生物體上,或許就不會了。


布爾吉斯頁巖:同樣的化石,不同的觀點


這個問題的聞名,與演化生物學家史蒂芬·杰伊·古爾德(Stephen Jay Gould)有關。1989年,他在《奇妙的生命:布爾吉斯頁巖中的生命故事》一書中提出了這個問題(并用了“磁帶”這個意象,畢竟年代不同了)。這本書討論了無數陌生動物留下來的化石,這些寒武紀時期的動物生活在大約 5.2 億年前的海洋里,并且以化石形式保存在布爾吉斯頁巖(Burgess Shale)中。


布爾吉斯頁巖區域的衛星影像 | Jesse Allen / NASA


幾乎所有現在的動物,都能在寒武紀找到自己的祖先;但卻不是所有生活在寒武紀時期的動物,都在今天仍然有后代。許多寒武紀的物種已經滅絕了,有的是因為不足以適應競爭,有的則是當火山爆發、小行星撞擊或其他滅絕事件發生時,它們在錯誤的時間出現在了錯誤的地點。


布爾吉斯頁巖的動物群,多樣性高得難以置信。古爾德由此推論,如果歷史以另一種方式展開,那么今天的生命將會不同。古爾德把這些隨機的突變和偶發的滅絕稱為“歷史偶然性”,他認為,這些突變和滅絕相輔相成,驅使著生命的演化在不同的路徑上行進。在他看來,包括人類在內的每一種動物,其存在都是一個極其罕見的事件;如果倒帶回寒武紀時期再重來,這些都不可能再發生。


布爾吉斯頁巖內發現的第一個完整的奇蝦化石 | Keith Schengili / Wikimedia Commons


在書里,古爾德大量引用了劍橋大學的古生物學家西蒙·康威·莫里斯(Simon Conway Morris)對布爾吉斯頁巖的研究;但是,康威·莫里斯本人卻強烈反對古爾德的觀點。


康威·莫里斯認為,隨著時間的推移,在自然選擇的作用下,生物體將演化出數量有限的適應特征,以應對地球上同樣數量有限的生態位。這會讓那些沒有關聯的生物體,都逐漸趨同演化成相似的體態。他說:“生物體必須根據物理、化學和生物世界的現實情況來配置自己。”在康威·莫里斯看來,因為有這些限制,演化如若倒帶重來,最終重新產生的生物體也必然和現在的那些相似。他相信,如果人類的猿類祖先沒有發展出大體積的腦部和智慧,那可能就會有其他的動物——例如海豚或烏鴉,來填補我們現在所占據的生態位。這種觀點,古爾德并不同意。


歐巴賓海蝎的藝術化形象。這是一種寒武紀生物,與象鼻相似,它長長的吻部可能是用來尋找海底的食物,并且將其傳送回它奇異的、向后的嘴巴 | Nobu Tamura


其實,這兩位學者都認同,趨同性和偶然性是同時存在于演化之中的。他們爭論的是,像人類智慧這樣關鍵的適應特征,是否可重復,或者是否獨一無二。其他生物學家也參與了這個謎題的解答,并且揭示出趨同性和偶然性是如何相互作用的。理解這兩種力量的相互作用,可以讓我們知道,到底每一種生物都是幾十億年鏈條上機緣巧合得來的幸運產物,還是說,不管是蠑螈還是人類,我們這些生物的演化,都是如同死亡與稅收一樣逃不掉的存在。


大腸桿菌:三十年一遇,是隨機發生的嗎?


為了解開這個謎題,理查德·蘭斯基(Richard Lenski),來自美國密歇根州立大學(Michigan State University)的演化生物學家采取了和古生物學家不同的方式。他并不打算用化石來重建歷史;他想看的是,在實驗室里的受控環境下,趨同性和偶然性如何實時作用。


蘭斯基用大腸桿菌進行實驗,這是顯微鏡下迅速增殖復制的大腸桿菌細胞 | Stewart EJ, et al. / PLOS Biology(2005)


1988 年,他將來源于同一個大腸桿菌(Escherichia coli)的細菌種群,分進 12 個裝有液體培養基的燒瓶里,由它們各自進行演化。在過去 30 年里,他或他的學生每幾個月都會把一些細菌樣本凍存下來。有了這份冷凍微生物的檔案,蘭斯基只要將樣本解凍,就可以從任意一個想要的時間點,開始重播大腸桿菌的生命歷史。這樣,他可以檢測出這些細菌是如何變化的,包括基因上的和顯微鏡下可見的改變。蘭斯基說:“這一整個實驗就是用來測試演化如何重復。”


在這其中的11個燒瓶里,大腸桿菌都變得更大了。但有一個燒瓶卻不同,里面的細菌自己分出了不同的支系——一個支系的細胞比較大,另一個的比較小;它們現在已經共存了超過 60000 代。只有這一個種群出現了這種情況,這樣看來,似乎是發生了一個歷史偶然性事件。甚至在 30 年后,也仍然沒有其他任何一個大腸桿菌的種群,發展出這樣一大一小的兩個支系。在這個例子里,偶然性似乎打敗了趨同性。


2008年,12個歷經了20年繁衍的大腸桿菌種群 | sciencemag.org


2003年,另一個偶然性事件發生了。原先這些培養基溶液都是半透明的,但有一瓶卻變渾濁了。一開始,蘭斯基以為是被污染了;但結果并非如此。通常來說,大腸桿菌以溶液里的葡萄糖為食;但這一瓶細菌,卻發展出了另一種方式——它們能夠利用培養基里的另一種化學物質檸檬酸鹽作為食物。在實驗開始的15年后,也就是大約31500代之后,只有這一個種群能夠將它作為營養物質。這個種群也因此迅速增長,規模擴大了5倍,細菌太多,把溶液弄渾了。


有了這一個歷史偶然性事件,蘭斯基和他的學生扎克瑞·布朗特(Zachary Blount)就能夠測試這個問題:如果倒帶重播,一切重新發生的可能性有多少?在凍存的大腸桿菌中,布朗特挑了 72 個不同階段的樣本,都來自那個后來演化出檸檬酸鹽代謝的種群。他將它們解凍,讓它們繼續生長。最后,在72個樣本里,有4個獲得了這種代謝能力;并且,這個突變只在30500代之后凍存的樣本里才出現。從基因分析的結果來看,在出現檸檬酸鹽代謝之前,有幾個基因已經發生了突變,這些突變推動了之后演化事件的發生。換句話說,這種利用檸檬酸鹽的能力,依賴于之前出現的其他突變。這些突變形成了分岔口,改變了之后的世代所能夠行進的路徑。


2017年,蘭斯基親自進行了第10000次轉接 | myxo.css.msu.edu


這個著名的大腸桿菌項目,被叫做“長期演化實驗”(The Long-Term Evolution Experiment),它們現在已經超過了 70000 代。蘭斯基由此獲得了一個深度數據集,并且可以從中推論出偶然性和趨同性在演化過程中的相互作用。在不同組的細菌之間,有一些變化是相對常見的,例如那些發生在細菌 DNA 上的、讓細菌變得更大而且更容易在燒瓶中繁殖的微小變化。但同時,蘭斯基也觀察到了一些引人注目的偶然性事件,在這些事件里,某個種群出現了與其他種群完全不同的現象。不過,蘭斯基補充說,和趨同性一樣,這些轉變并非是完全隨機的。


穴螈與變色龍:為什么變色龍的舌頭比較慢?


無論過程如何,“并非一切皆有可能。”韋克解釋道,“生物體在它們自己的‘遺傳特征框架’下進行演化。”它們不可能傳遞那些會殺死自己、或者阻止自己繁殖的突變。在穴螈屬的例子里,它們的祖先不得不克服一個重要的限制:為了獲得這種能夠快速彈射的舌頭,它們必須犧牲掉肺。這是因為,它們的舌頭部分源于一些肌肉,而這些肌肉的前身其實是用來將空氣泵進肺里的。之前小而弱的肌肉,現在變得更大、更強壯了。它就像彈簧一樣,包裹在嘴巴后部的一塊錐形骨周圍;當肌肉收縮時,這塊錐形骨的力量可以將舌頭連帶著它的骨骼一起發射出嘴巴。


因此,穴螈的祖先不僅僅是獲得突變、演化出快速彈射的舌頭而已;實際上,這個適應特征建立在一系列的突變之上,這些突變首先要讓生物體克服對于肺的依賴,畢竟那原本是用來控制氧氣和浮力的。每一個變化,都取決于它之前的變化。


穴螈的舌頭,需要先克服對肺的依賴 | SM Deban & DB Wake / Nature(1997)


和穴螈不同的是,變色龍保留了它們的肺。它們并沒有去重新規劃肺部的結構,而是演化出了一塊膠原蛋白,可以讓它們在捕食的時候彈射出舌頭。表面上看來,穴螈和變色龍的舌頭似乎是趨于一致了;但如果仔細觀察,你會發現并非如此。變色龍捕食時,大概要用20毫秒來射出舌頭;這比起穴螈的5毫秒,可實在是太慢了。為什么變色龍不得不用這么慢的舌頭捕食?這是因為,它們遭遇了一些實現趨同演化的阻礙。變色龍舌頭的速度,已經足以確保它們的生存;但它們的“遺傳特征框架”與穴螈不同,無法發展出那種更致命的彈射舌頭。用生物學家的話來說,變色龍已經到達了“適應峰”(adaptive peak)。


一種小型變色龍用舌頭捕食(放慢50倍)| Christopher Anderson


噬菌體:是什么限制了演化的頂峰?


哈佛大學的生物學家劉如謙(David Liu)也在噬菌體(一種能夠感染細菌的病毒)中發現了此類“適應峰”。這些適應峰,讓生物體很難都發展出同一個最佳設計——這可以用來解釋,為什么偶然性的事件不會經常重復。


劉如謙想要知道的是,如果對幾組相同的噬菌體施以相同的環境壓力,它們是否會各自演化出某一種特定的酶。他利用一個叫PACE的輔助系統,來加速噬菌體內的蛋白演化速度。


一個典型的噬菌體結構 | Wikimedia Commons


在實驗過程中,病毒如果無法產生他想要的酶,就會被移除出去。留下的病毒都能合成這種酶,但這些酶的“質量”也有不同。具體來說,它們會產生一種聚合酶,這種酶能夠識別某些特定的DNA序列,并且在轉錄成RNA的過程中發揮作用。有些聚合酶識別序列非常精準,其他的則要弱得多。就像變色龍有一個相對不那么快的舌頭,這些病毒演出的適應特征也如此——足以維持生存,但它們無法獲得更好的聚合酶。有的病毒被卡在了更低的頂峰,有的則能夠爬到更高的地方。


生物學家說的這種適應峰到底是什么?不如這樣想象:這里有一片地形,它的地勢代表著或高或低的生殖潛能。在劉如謙的噬菌體實驗里,不同種群通過獲得不同的突變,在這片地界上探索。有的停留在小山丘旁,有的則跑到像珠峰那樣的高山旁邊。它們在各自的山頭上爬得越高,就越容易生存。所以,它們爬上了眼前的斜坡。要注意的是,病毒一旦抵達小山丘的頂點,就再也無法跑去另一座更高更好的山了。如果非要去,那它們必須先退著爬下山,這意味著它們要降低自身的適應力。這是很嚴峻的挑戰,因為以“適者生存”是最緊要的,適應力降低就意味著死亡。因此,哪個突變首先出現,也就意味著生物體一開始要攀爬的是哪座適應峰,這種選擇是一個歷史偶然性事件——而趨同演化如果想要克服它,就算不是不可能,那也會非常困難。


不是所有病毒都會爬像珠峰那樣高的“適應峰” | Joe Hastings / flickr


突變的時機很重要。“早期的隨機事件為基因池創造了差異性;而那些最終有益的基因能否影響生物體的存活,很大程度上也受這些早期隨機事件的影響。”劉如謙說。“隨機性消蝕了演化的重復性。”在這個實驗中,偶然性最終戰勝了趨同性,過去發生的事件對重復性造成了阻礙。


數字生命體:生命能夠跨越適應峰嗎?


密歇根州立大學的計算生物學家克里斯·阿達米(Chris Adami)和查理斯·奧法里(Charles Ofria)的研究,則揭示了生命或許能夠跨越適應峰的限制。他們開發了一個叫“Avida”的計算機程序,在這個程序里,數字生命體在實驗人員設定的環境條件下進行演化。通過隨機地獲取或失去一些編碼片段,這些生物體也會發生突變;這讓它們有可能去解開一些數學問題,提高它們“繁殖”的能力。


在一個實驗中,他們為這些數字生命設定了一個任務:解開一個復雜的邏輯問題。在50個數字種群中,只有4個演化出了能夠完成這一任務所必須的編碼。有趣的是,所有成功的種群,在最初都有非常多的突變,也就是隨機的計算編碼片段;這讓它們更難以解開數學問題,也就更難去繁殖。這看起來似乎有悖常理,但奧法里發現,那些早期的壞突變,對于提升后代的適應性十分重要。這可能是因為它們增加了基因的多樣性,為之后的隨機突變提供了基礎。


運行中的Avida


在演化過程中,一系列事件按特定順序發生,這是非常稀有的情況——這是不是就能說明,演化中的重大轉變難以重來?由實驗來看,的確如此;但康威·莫里斯卻會十分堅定告訴你:并不。“你不能愚蠢地斷言說不會有這樣或那樣的事發生,問題其實在于時間的尺度。”


他相信,不論過程中會有什么偶然性事件發生,只要有足夠長的年限和足夠多的突變基因,自然選擇最終都會將生命推向那些必然的適應特征,讓那些生物體能夠與其生態位最好地匹配。在他看來,有一天,蘭斯基實驗里的大腸桿菌都將能夠利用檸檬酸鹽,劉如謙的所有病毒也終將攀上它們適應性上的珠穆朗瑪峰。況且,這些實驗都是在非常簡單而且受調控的環境下進行的,這與生命在實驗室之外所必須要經受的復雜生態環境相去甚遠。你很難說得清,真實世界的環境壓力可能會讓結果發生怎么樣的變化。


如果遇見外星人:我們是唯一的智慧生命嗎?


迄今為止,試圖回答“生命倒帶”這個問題的所有答案,都有一個最大的缺陷:生物學家的結論都只能基于同一個生物圈——地球。如果能和外星生命相遇,我們無疑可以了解更多。即使外星生命不存在 DNA,它們很可能也會有相似的演化機制。它們需要一些能夠傳遞給后代的物質,這些會引導生物體的發展,并隨著時間而變化。正如蘭斯基所說:“適用于大腸桿菌的,也同樣適用于宇宙間任何地方的微生物。”


因此,趨同性和偶然性的這種相互作用,可能也同樣在其他星球上演。如果外星生命面臨著與地球生命相似的演化壓力,未來人類可能會發現,外星人也趨同發展出了像我們一樣的智慧[5]。反過來,如果像古爾德所說的,偶然性事件接踵而至,推動著生命走向一條獨一無二的路徑,那么外星生命可能就會是極其怪異的了。


人類會是宇宙間的唯一一個智慧生命嗎?|  Bruno Gilli / ESO


古爾德認為,人類代表了一個“極其不可能的演化事件”。他的證據是,在地球生命長達25億年的歷史上,類似人類的智慧只出現過一次。會不會有另一個物種,像人類一樣發展出智慧?在他看來,這件事情的可能性微乎其微。其實,將我們自己視為宇宙間可能是唯一的一個有感知能力的物種,這種想法本身還附帶了一些生物范疇以外的重要含義。


古爾德在《奇妙的生命》里寫道:“有些人覺得(人類是唯一智慧生命的)前景令人沮喪,我卻總為之感到振奮。我將它當成是一個源泉,它帶來了自由,也帶來了道德上的責任。”


編譯來源:Nautilus: If the World Began Again, Would Life as We Know It Exist?


由Nautilus授權果殼轉載并翻譯,譯文版權屬于果殼,未經授權不得轉載。

本內容為作者獨立觀點,不代表虎嗅立場。未經允許不得轉載,授權事宜請聯系[email protected]

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