生日快乐,进化论!

作者: 约翰·斯皮克曼

来源: 《科学世界》

发布日期: 2018-08-20

本文庆祝进化论的160岁生日,回顾了达尔文和华莱士对进化论的贡献,讨论了进化论的发展及其未解决的问题,并介绍了一项新的研究,该研究使用图论数学模型来解释自然选择的进化过程。

非常著名又充满争议的进化生物学家理查德·道金斯在他的第一本畅销书《自私的基因》中提出一个问题:如果有外星文明到访一个星球,它们会根据怎样的标准来确定它们在那里发现的生物是有智慧的?道金斯认为,一个很重要的检验方法是询问该星球上的生物,它们是否已经弄明白自己之所以存在,是由于以自然选择为基础的进化过程。他还认为,进化论的发现是地球生命历史上的重要转折点。

进化论提出之前,地球上的生命已经存在了至少30亿年,而没有任何一种生物能够回答它们为什么会存在。然而之后,两位独立工作的人类科学家不约而同地找到了答案,他们就是查尔斯·达尔文和阿尔弗雷德·华莱士。达尔文有关进化论的思考始于19世纪20年代,当时他乘坐一艘叫贝格尔号的船环游世界,并将旅行途中的经历写成一本书——《贝格尔号航海志》,于1928年出版。

回到英国后,根据他旅行中的观察,结合对鸽子等进行人工饲养实验的结果,达尔文慢慢发展出了基于自然选择而进化的思想。这种思想认为,地球上存在的不同动物物种并不是由某种超自然的力量创造的,而是源自共同的祖先,通过选择的过程各自演化而来。

华莱士是一位在印度尼西亚群岛进行研究的生物学家,他非常勤勉地记录着这片群岛上不同的动植物物种。

达尔文将他的观点与英国本土的科学家进行了广泛的交流和讨论,也因此成为一位知名的科学家。然而,华莱士却没有这种交流的渠道。不过,他独立提出了自然选择的观点,并给达尔文写信征询意见。达尔文担心自己苦心孤诣构建了几十年的观点可能会被别人先发表,与同事们讨论后,决定应该尽快将这一观点公布于世。但为了避免剽窃之嫌,达尔文和华莱士应该作为文章的共同作者。

尽管达尔文最初不太情愿将华莱士作为共同作者,但最后还是同意了。在那个年代,论文需要向专业学会宣读,然后才能发表在该学会的会刊上。达尔文和同事们决定将文章推荐给伦敦的林奈学会(世界上历史最悠久的生物学学会之一,成立于1788年,以瑞典科学家卡尔·林奈的名字命名)。

1858年7月1日,当时英国地理学会的主席查尔斯·莱尔,在林奈学会的会议室起立向为数不多的听众(都是该学会的会士)介绍了一篇题为《论物种形成变种的倾向,以及论这些变种和物种经由自然选择之手段而得以延续的方式》的论文,该文由达尔文和华莱士共同完成。从那一刻起,地球上的生命“成年”了,按照理查德·道金斯的定义,我们人类成为了智慧生物。

后来发表在林奈学会会刊上的论文虽然篇幅不长,但有几个非常有意思的地方。一是华莱士本人甚至都不知道这篇论文的存在。他仍远在东南亚,当时,新闻需要几个月的时间才能完成环球之旅,他要在很久之后才会知道其观点已经被发表。他会永远感激达尔文同意将自己纳入为共同作者,从而承认他独立地发展出了这个观点。二是论文本身并没有像达尔文想象的那样受到追捧。为数不多的几位听众似乎并没有特别地被文章所吸引。

三是考虑到其所包含的思想,这篇论文并没有被其他科学论文很好地引用。这可能是因为一年后达尔文出版了专著《物种起源》,这本书以其丰富的细节、大量的实例以及详尽的论证,让之前那篇简短的论文相形见绌。因此,由华莱士和达尔文共同提出的“通过自然选择的进化”这一原始观点,也最终被进化论所取代,如今通常被归功于达尔文个人的贡献。

事实上,除了庆祝进化论的诞辰,还有另一个原因促使我决定写这篇文章,即进化论并不是一件完成了的作品。关于自然选择实际上是如何发生作用的,还有许多重要但悬而未决的问题。诚然,达尔文和华莱士最初提出这个观点时,他们自己并不了解进化论实际发生的机制,因为那时他们没有关于遗传学的知识。即便在孟德尔关于遗传规律的研究被重新发现后,还要再过五十多年,遗传的物质基础DNA才被发现,进化的发生机制才被揭示。

因此特别难得的是,在进化论160岁生日之际,一本新的期刊《生物学通讯》(Communications Biology)发表了一篇论文来阐释并可能解决这些棘手问题中的一个(有些遗憾的是,这篇论文不是发表在仍出版的林奈学会期刊上。当然没有什么事情是完美的)。

这篇论文关乎这样一个问题。

人们认为进化的发生过程如下:某生物个体的DNA发生完全随机的一个突变,这个突变能使这个个体的适合度具有优势,比如能使这个动物跑得更快一点以逃避天敌的猎捕,或者能使之更高效地消化食物从而有更多可用能量来繁殖后代。与其他那些没有携带该基因突变的个体相比,这个个体会以更高的概率将这一基因突变传递给它的后代,慢慢地,这些突变体会成为种群中的主导个体,直到整个种群有了更具优势的基因组成。

基因突变传播到整个种群的概率叫做固定概率,这是一个需要理解的关键点,因为它决定了进化发生的速度。设想一下,如果一个种群里有1万个个体,根据定义突变只发生在一个个体身上,很可能的结果是这个突变体还没来得及将突变传给后代就死了。那么问题就是,根据定义,这些突变是单独事件,突变如果非常新,并且数千个个体中只有1或2个突变体,那么它们几乎不可能在这些第一代之后还继续存在。

实际上,有大量的数学模型提示,进化不可能是以这种方式发生的。这项新的研究也是一个数学模型,但它采用了一个不同于经典遗传学的独辟蹊径的方法,叫做“图论”。该研究是由美国哈佛大学数学系马丁·诺瓦克(Martin Nowak)教授领导奥地利和美国科学家们共同完成的。

图论数学模型以图的结构为研究对象,这里的图不是指我们所熟悉的那种传统的二维图表,而是指被称为节点的点的排列组合。

节点通过线与其他的节点进行连接,连接节点的线叫做边。这篇论文所采用的模型中,种群中的每个个体是一个节点,而边则是指该个体能够产生后代来取代种群中另一个个体的位置。举个例子,如果一个种群包括你、我还有另一个人,并且这是一个完整的图,即它已经包含了所有可能的连接。我们3个人是由3条边连接的3个节点。

我有一个后代,我可以将他放在连接你和我的边上,这样你就被我的后代取代了;也可以将其放在另一条边上,这样你和我可以与我的后代共同存在。诺瓦克和同事们想要知道的是,他们的图是否具有某些特定的结构,可以增加一个发生在某个种群中一个个体上的突变基因的固定概率。

实际上,人们已经知道这个问题的答案应该是肯定的。然而,过去尝试定义这种具有放大效应的结构往往相当繁琐,有时会用到几十页的数学推导和计算。

过去这些文献里的研究结果显示,被称为“星星”或“超级星星”的结构能够引起固定概率升高,它们被叫做放大结构。问题是,这样的结构似乎不太可能在自然种群中存在。在这篇新论文中,研究人员采用了一种稍有不同的方法,他们没有根据连接节点的边的存在与否来定义种群中的结构,他们改变的是被称为“权重”的参数。权重指的是某一条特定的边被选中的可能性。

这篇新论文显示,如果选择正确的权重结构,所有互相连接的图形都能成为一个自然选择的放大器。能够产生最强放大效果的权重结构包括一系列被称为“枢纽”的节点群,它们与沿着线性分支的其他节点保持着强烈连接。如果通过设定权重值来使某一突变沿着一条分支流向枢纽,那么这一突变被固定的概率几乎是完全肯定的。这种结构可以通过改变边的权重来反映绝大多数的种群。

这个研究最大的进展是,对于某一特定种群结构而言,一个有利变异从几乎不可能传下来转变为几乎肯定能传下来,这也就解释了通过自然选择的进化没有那么难。

悬而未决的问题还有许多。这些结论仅适用于以稳定种群存在(种群数量既不增加也不减少)的无性繁殖生物(如细菌)。如果将这些限定条件放宽,假设是否依然成立,目前还不确定。此外,这些权重是否真的存在于自然种群中,或者它是如何产生的,也还不清楚。但这个理论在慢慢向前发展。

生日快乐,进化论!为你的下一个160年干杯!

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