我不到五毫秒Hydromantes蝾螈可以把舌头(包括肌肉、软骨和部分骨骼)从嘴里伸出来，抓住飞行中的倒霉昆虫。在两栖动物中，它是速射冠军。青蛙和变色龙的弹道结构比较慢。“我花了大约50年的时间研究蝾螈舌头的进化，”加州大学伯克利分校的进化生物学家戴维·韦克(David Wake)说，“这是一个特别有趣的例子，因为蝾螈的动作并不快，但却有我所知的最快的脊椎动物动作。”在他们的血统中，进化找到了一种更好的方式来完成舌头捕猎。它们看似独特的适应能力似乎是在其他三种不相关的蝾螈物种中独立进化而来的。这是趋同进化的一个例子——不同的物种在面对相同的环境压力时，各自发展出相似的生物适应性。当维克被问到一个进化生物学中存在了几十年的问题时，火蜥蜴是他的最佳例子:如果你能重放“生命的录像带”，进化会自我重复吗?在蝾螈身上似乎是这样:在其他生物身上可能没有。
已故进化生物学家斯蒂芬·杰伊·古尔德在他1989年的书中提出了这个著名的问题，精彩人生：伯吉斯页岩与历史的本质这本书出版的时候，人们还在听盒式磁带上的音乐。1这本书讨论了大约5.2亿年前寒武纪时期生活在地球海洋中的无数奇怪动物留下的化石，这些化石保存在伯吉斯页岩中。几乎所有今天活着的动物都可以追溯到寒武纪的生物，但不是所有生活在寒武纪的动物许多寒武纪物种已经灭绝，因为它们不适合竞争，或者因为它们在火山爆发、小行星撞击或其他灭绝事件中在错误的时间出现在错误的地点。
古尔德看到了伯吉斯动物令人难以置信的多样性，并推断如果历史以另一种方式展开，今天的生命将会是不同的。随机突变和偶然灭绝——古尔德称之为“历史偶发事件”——是相互依存的，他认为，这将推动生命沿着一条或另一条路径进化。在古尔德看来，包括人类在内的每一种动物的存在都是一件罕见的事情，如果生命的录像带倒带回到寒武纪并重新播放，这种情况就不太可能再次发生。其中一位古生物学家——剑桥大学的西蒙·康威·莫里斯——对伯吉斯化石的研究被古尔德在他的书中大量引用，他强烈反对这种观点。
在Gould的观点中，存在包括人类在内的每只动物的存在是一个罕见的事件，如果生命的胶带对寒武纪时期重写并再次发挥作用，那么就会不太可能重新发生。
Conway Morris认为，随着时间的推移，自然选择导致生物体在地球上的有限数量的生态龛地上发展有限数量的改编。这导致无关的生物逐渐收敛于类似的身体设计。“有机体必须将自己配置为物理，化学品和生物世界的现实”，“他说。在Conway Morris的观点中，这些约束使其全部内容但不可避免的是，如果挥录磁带被重放，则进化最终将再现与我们今天所拥有的生物相似。如果人类的猿人没有进化大脑和与他们一起去的智慧，他认为，另一个动物，例如海豚或乌鸦，可能已经填充了我们现在占据的利基。古尔德不同意。
两位学者认识到，进化中的收敛和应急存在。他们的辩论改变了围绕如何重复或独特的关键适应，如人类智慧。与此同时，其他生物学家已经占据了拼图，并显示了融合和应急如何互动。了解这两种力量的相互作用可以揭示每一个生物是否是一个十亿年长期的幸运机会的结果，或者我们是我们的所有蝾螈和人类 - 都是不可避免的死亡和税收。
R密歇根州立大学进化生物学家理查德·伦斯基(Richard Lenski)决定在实验室的可控环境中，实时观察聚合和偶发事件的发生，而不是试图用化石来重建历史。1988年，他分离了一个种群大肠杆菌将细菌放入12个单独的装有液体营养物质的烧瓶中，让它们各自独立进化。在过去的26年中，每隔几个月，他或他的一名学生就会冷冻一份细菌样本。这种冷冻微生物的档案使伦斯基能够重播大肠杆菌只要解冻这些样本，他就可以从任何一个角度记录生活。在此过程中，他可以研究细菌是如何在基因和显微镜下可见的方式上发生变化的。Lenski说:“整个实验是为了测试进化的可复制性。”
在伦斯基的11个烧瓶里大肠杆菌细胞在物理上变大了，但是在一个烧瓶中的细菌分裂成不同的细胞系——一个有大的细胞，另一个有小的细胞。“我们管它们叫小的和大的，”Lenski说。“他们已经共存了5万代了。”实验中没有其他群体做同样的事;一个历史上偶然发生的事件似乎发生了。即使26年过去了，其他的都没有大肠杆菌血统进化。在这种情况下，偶然性似乎战胜了趋同。
2003年，另一个或有目的事件发生了。的数量大肠杆菌其中一个烧瓶里的营养液增加到正常情况下半透明的营养液变得混浊的程度。一开始伦斯基以为烧瓶被污染了，但结果发现大肠杆菌，通常仅在溶液中喂食葡萄糖，已经开发出一种在烧瓶中消耗不同的化学品，称为柠檬酸盐。15年后，或31,500代，只有一个人群能够消耗该物质。2它的人口大小迅速扩大了五倍。
这种“历史偶然性”给了伦斯基和他的研究生扎卡里·布朗特一个机会，来检验如果他们倒带的话，这种情况再次发生的可能性。布朗特去了冷冻档案大肠杆菌，并从后来进化出柠檬酸代谢的种群中选取72个实验不同时期采集的样本。他把它们解冻，让它们生长。最终，72个样本中有4个获得了这种能力。更重要的是，突变只发生在30,500代后被冻结的种群中。基因分析显示，在此之前，一些基因发生了突变，“增强”了柠檬酸代谢的进化。换句话说，消耗柠檬酸盐的能力取决于在它之前发生的其他突变。它们形成了一个岔路口，改变了后世的道路。
早期的不良突变对后代的适应性至关重要，也许是因为它们增加了基因变异，而后来的随机突变可以对其起作用。
长期演进实验，如大肠杆菌这给了Lenski一个深入的数据集，从中推断出演化过程中偶然性和趋同的相互作用。这种细菌的DNA发生了微妙的变化，使它们变得更大，并能更好地在烧瓶中增殖，这在整个群体中是相对常见的。与此同时，Lenski也见证了“惊人的”偶发事件，其中一个群体的行为与其他群体完全不同。但他补充说，在收敛过程中，这些转换并非完全随机的。
威克解释说：“并不是所有的事情都是可能的。”生物体在其遗传特征的框架内进化。“生物体不能传递杀死它们或阻止它们繁殖的突变。在Hydromantes蝾螈的祖先必须克服一个严重的限制:为了获得弹道舌头，它们必须失去肺。这是因为它们的舌头部分来自于它们的祖先用来将空气泵入肺部的肌肉。现在，原来又小又弱的肌肉变得更大更强壮了。它像弹簧一样缠绕在口腔后部的一根逐渐变细的骨头上，当肌肉挤压时，骨头产生的力量将舌头连同骨头一起从口腔中释放出来。所以,Hydromantes“我们的祖先并不是简单地获得了突变，然后进化出了快速的舌头。相反，这种适应是在一系列突变之后发生的，这些突变首先使这种生物克服了对肺部氧气和浮力控制的依赖。每一个变化都取决于之前的变化。
另一方面，变色龙保留了它们的肺。它们没有重新构造肺部结构，而是进化出了一块胶原蛋白，使它们可以用舌头弹射猎物。从表面上看，蝾螈和变色龙的舌头是一致的，但仔细观察却不是这样。变色龙用舌头向猎物射击需要20毫秒，这与变色龙的速度相比简直是冰川般的速度Hydromantes五毫秒的发射时间。为什么变色龙用这么慢的舌头狩猎?答案是，它们在趋同进化方面遇到了某种障碍。变色龙的舌头足够快，足以确保它们的生存，但它们缺乏“遗传特征框架”，无法进化出蝾螈更致命的弹道解剖结构。变色龙已经达到了生物学家所说的“适应高峰”。
我在用感染细菌的病毒进行的实验中，哈佛大学生物学家David Liu也发现了适应性高峰。这些峰值限制了生物聚合在单一、最优设计上的能力。它们有助于解释为何偶发事件不会经常出现。
刘想知道，如果对同一组噬菌体施加同样的压力，它们是否能够分别进化出一种特定的酶。他使用一种他称之为PACE的系统，加快了病毒内部蛋白质的进化速度。
在实验过程中，不能产生刘寻找的酶的病毒被从研究中移除:那些达到目标的病毒保留了下来。其中一些人的酶比另一些人“更好”。3.具体地说，他们制造的酶，一种多聚酶，识别特定的DNA序列，并帮助将其转化为RNA。一些多聚酶非常精确地识别该序列，而另一些则不太准确。就像变色龙相对缓慢的弹道舌头一样，这些病毒进化出一种适应性，使它们得以生存，但也阻止了它们获得更好的聚合酶。一些病毒停留在较低的峰值，而一些病毒则爬到了较高的峰值。
为了理解生物学家所说的适应性高峰是什么意思，想象一个地形代表繁殖潜力高低的景观。以刘的噬菌体为例，不同的种群通过获得各种突变来搜索这一景观。一些落在小山脉旁边，一些落在像珠穆朗玛峰一样的山峰旁边。他们爬得越高，就越容易活下来。于是，他们爬上了面前的斜坡。一旦到达一个小高峰的顶端，病毒就不能移动到更高、更理想的高峰。为了到达那里，它们需要爬下来，每一步都在削弱它们的生存能力。这是一个严峻的挑战，因为适者生存是当前的问题。哪个突变首先发生——哪个生物开始攀爬适应性高峰——是一个历史偶然性，趋同进化可能需要非常困难的时间来克服，如果不是不可能的话。
对大肠杆菌来说是正确的，对宇宙中任何地方的某些微生物来说也是正确的。
突变的时间很重要。“造成基因库差异的早期随机事件，在决定是否允许一个最终有益的突变影响一个有机体的生存方面，可以产生深远的影响，”刘说。“这种随机性侵蚀了进化的可再现性。”在这次实验中，偶然性战胜了趋同。过去的事件阻止了可重复性。
密歇根州立大学计算生物学家克里斯·阿达米（Chris Adami）和查尔斯·奥弗里亚（Charles Ofria）对数字生物的研究揭示了生命可能克服适应峰值限制的一种方式。两人创建了一个名为Avida的计算机程序，其中数字生物在实验者设定的环境条件下进化。阿维迪亚人通过随机获取和丢失代码片段来进行变异，这些代码片段可以帮助他们解决数学问题，从而提高他们的繁殖能力。
在一项实验中，阿维达人被赋予了一项任务，即进化解决一个名为“位相等”的复杂逻辑问题的能力。在50个数字群体中，只有4个进化出了完成操作所需的代码。4所有成功的人群最初都携带了大量的突变（随机的计算机代码片段），这使得他们很难解决数学问题，从而繁殖后代。这似乎违反直觉，但Ofria发现，早期的坏突变对于改善后代的适应性至关重要，也许是因为它们增加了遗传变异，而后来的随机突变可能会对其产生影响。
D任何特定事件序列的罕见性是否意味着进化中的重大转变不太可能重复?实验表明这是对的，但康韦·莫里斯坚定地回答说，不是。“如果你说没有这种或那种意外，那就太愚蠢了。问题在于时间尺度。他认为，只要有足够的时间和足够多的突变基因组，自然选择将推动生命朝着最适合生物体生态位的必然适应方向发展，而不管在这一过程中会发生什么意外事件。他相信总有一天，所有的大肠杆菌在莱恩斯基的实验中，病毒会进化到消耗柠檬酸盐，而刘的所有病毒最终都会在适应珠穆朗玛峰的环境中扩散。此外，这些实验是在非常简单和可控的环境中进行的，这些环境与实验室外生命必须适应的复杂生态系统不相匹配。很难说h现实世界的环境压力可能改变了结果。
到目前为止，所有试图回答“生命磁带”问题的努力中最大的缺点是生物学家只能根据地球上的一个生物圈得出结论。与外星生命的相遇无疑会告诉我们更多。即使外星生物可能没有DNA，它们也可能表现出类似的进化模式。他们将需要一些材料来传给后代，这些材料将指导生物体的发展并随着时间的推移而改变。正如伦斯基所说，“什么是真的大肠杆菌宇宙中任何地方的某些微生物也是如此。”
因此，会聚和偶然性之间同样的相互作用可能会在其他行星上发生。如果外星生命面临着与地球生命相似的进化压力，未来人类可能会发现融合进化出像我们这样智慧的外星人。5另一方面，如果偶然事件相互作用，推动生命沿着古尔德所说的独特道路发展，那么地外生命可能是非常奇怪的。
古尔德认为，人类代表了“极不可能的进化事件”，作为证据，他指出，类人智能在地球生命的25亿年里只进化过一次。他认为，其他物种进化出类似人类智力的可能性微乎其微。我们可能是宇宙中唯一有知觉的物种，这一想法带来了一些超越生物学的重要含义。“有些人觉得前景令人沮丧，”他在信中写道美好的生活“我一直认为它令人振奋，是自由和道德责任的源泉。”
Zach Zorich是一名自由职业者科学新闻工作者和贡献编辑考古学杂志。
工具书类
1.古尔德，S.J.精彩人生：伯吉斯页岩与历史的本质W.W. Norton公司，纽约(1990)。
2.布朗特,Z。等等。实验群体历史意外关系与关键创新的演变大肠杆菌。国家科学院的诉讼程序105，7899 - 7906(2008)。
3.迪金森,B。,等等。利用噬菌体辅助的连续进化对蛋白质进化的路径依赖性和随机性的实验讯问。国家科学院的诉讼程序110年,9007–9012 (2013).
4.Covert III，A。，等等。关于有害突变作为适应性进化垫脚石的实验。国家科学院的诉讼程序（2013）。从：DOI：10.1073 / PNAS.1313424110
康威莫里斯，S。生活的解决方案:孤独宇宙中不可避免的人类剑桥大学出版社剑桥（2003）。
