我N小于5毫秒，aHydromantes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（Stephen Jay Gould）在其1989年的著作中提出了这个问题，精彩的生活:伯吉斯页岩与历史的本质这本书出版的时候，人们还在听录音带上录制的音乐。1这本书讨论了5亿2千万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，这些动物被保存在伯吉斯页岩中。几乎所有现存的动物都可以追溯到生活在寒武纪的动物，但并不是所有生活在寒武纪的动物都有生活在今天的后代。许多寒武纪物种后来灭绝了，因为它们不适合竞争，或者因为在火山爆发、小行星撞击或其他灭绝事件期间，它们在错误的时间出现在错误的地方。
古尔德看到了伯吉斯动物令人难以置信的多样性，并推测如果历史以另一种方式展开，今天的生活会有所不同。古尔德称之为“历史偶然事件”的随机突变和偶然灭绝事件会相互影响，他认为，会推动生命沿着这样或那样的路径进化。在古尔德看来，包括人类在内的每一种动物的存在都是一个罕见的事件，如果将生命的磁带倒转到寒武纪并再次播放的话，这种事件就不太可能再次发生。剑桥大学的古生物学家西蒙·康威·莫里斯（Simon Conway Morris）在古尔德的书中大量引用了他关于伯吉斯化石的研究成果，他强烈反对这一观点。
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。
康威·莫里斯认为，随着时间的推移，自然选择导致生物体进化出有限的适应能力，以适应地球上有限的生态位。这使得不相关的生物体逐渐聚集在相似的身体结构上。他说:“生物体必须根据物理、化学和生物世界的现实来配置自己。”在康威·莫里斯看来，这些限制条件几乎是不可避免的，如果生命的录像带被重放，进化最终会产生与我们今天所拥有的相似的生物体。如果人类的猿类祖先没有进化出大的大脑和智能，他相信另一个动物分支，如海豚或乌鸦，可能会有，并填补我们现在占据的位置。古尔德不同意。
两位学者都认识到进化中存在趋同和偶然性。相反，他们的辩论围绕着重复或独特的关键适应，如人类智能，是如何。与此同时，其他生物学家也解开了这个谜团，并展示了趋同和偶然性是如何相互作用的。了解这两种力量的相互作用，可以揭示是否每一种生物都是数十亿年的幸运机遇链的结果，或者是否我们所有的蝾螈和人类一样，都像死亡和税收一样不可避免。
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把细菌放进12个装有液体营养的瓶子里，让它们各自进化。在过去的26年里，他或他的一个学生每隔几个月就会冷冻一份细菌样本。这些冷冻微生物的档案给了Lenski重放的能力大肠杆菌只要把样品解冻，他就可以随心所欲地从任何一点记录下他的生活。在这一过程中，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。伦斯基说：“整个实验的目的是测试进化的可重复性。”
在Lenski的11个烧瓶中大肠杆菌细胞在物理上变大了，但一个烧瓶中的细菌将自己分成了不同的谱系，一个是大细胞，另一个是小细胞。“我们称之为小的和大的，”伦斯基说。“它们已经共存了5万代了。”在实验中，没有其他种群也这样做；历史上的偶然事件似乎已经发生。即使26年后，其他人都没有大肠杆菌血统进化了它。在这种情况下，偶然性似乎战胜了趋同。
2003年，又发生了一件意外事件。的数量大肠杆菌在其中一个烧瓶中，温度升高到通常半透明的营养液变混浊的程度。起初，伦斯基认为烧瓶被污染了，但事实证明大肠杆菌它通常只以溶液中的葡萄糖为食，但它开发了一种方法来消耗烧瓶中的另一种化学物质，即柠檬酸盐。15年后，也就是31500代人之后，只有一个人能够消费这种物质。2它的人口规模迅速扩大了五倍。
这一“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重放磁带，这种情况再次发生的可能性。布朗特去了冻结档案馆大肠杆菌，并从后来进化出柠檬酸代谢的人群中选择72个在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30500代之后被冻结的群体中。遗传分析表明，在此之前，有几个基因发生了突变，从而“加强”了柠檬酸盐代谢的进化。换句话说，食用柠檬酸盐的能力取决于之前发生的其他突变。这些形成了一个岔路口，改变了几代人以后能够行走的道路。
早期的坏突变对后代的适应性至关重要，可能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。
长期进化实验，作为大肠杆菌项目已经被知道，现在已经超过六万代了，给Lenski一个深度数据集从中可以推断出进化中偶然性和收敛性的相互作用。细菌DNA的细微变化使它们更大，更能在烧瓶中增殖，这在各个群体中相对普遍。与此同时，伦斯基目睹了意外事件的“惊人”案例，其中一个人做了与其他人完全不同的事情。但他补充说，与收敛一样，这些转换也不是完全随机的。
“并不是所有的事情都是可能的，”维克解释道，不管过程如何。生物体是在遗传特征的框架内进化的生物体不能将杀死它们或阻止它们繁殖的突变传递给下一代。在…的情况下Hydromantes蝾螈，它们的祖先必须克服一个严重的限制：为了获得它们的弹道舌头，它们必须失去肺。这是因为他们的舌头部分来源于肌肉，而他们的前辈则用肌肉将空气泵入肺部。现在，以前小而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锥形骨骼上，当肌肉挤压时，骨骼产生的力会将舌头连同骨骼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，变色龙保留它们的肺。它们没有重新调整肺部的解剖结构，而是进化出一块胶原蛋白，使它们能够用舌头弹射猎物。从表面上看，蝾螈和变色龙的舌头会聚在一起，但仔细观察就不会了。变色龙用舌头向猎物射击需要20毫秒，与其他动物相比，这绝对是一种缓慢的速度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”。
我哈佛大学生物学家刘大卫（David Liu）在对感染细菌的病毒（称为噬菌体）的实验中也发现了适应峰。这些峰值限制了生物体收敛于单一优化设计的能力。它们有助于解释意外事件不经常重复的原因。
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，那些不能产生刘所寻找的酶的病毒被从研究中移除：那些达到目标的病毒仍然存在。其中一些人的酶比其他人“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，想象一个地形代表生殖潜力高低的景观。以刘的噬菌体为例，不同的群体通过获得不同的突变来寻找这一领域。一些降落在小山旁，一些降落在珠穆朗玛峰般的山峰旁。他们爬得越高，越容易生存。于是，他们爬上了前面的斜坡。一旦到达一个小高峰的顶端，病毒就无法移动到一个更高、更优化的高峰。为了到达那里，他们需要爬回地面，降低他们每一步的生存能力。这是一个严重的挑战，因为适者生存是当前的一个问题。哪种突变首先发生，哪种适应高峰是生物体开始攀登的历史偶然性，趋同进化可能会有一个非常困难（如果不是不可能的话）的时间克服。
对大肠杆菌适用的道理对宇宙中任何地方的某些微生物也适用。
突变的时机很重要。“在基因库中产生差异的早期随机事件可能会对确定最终有益的突变是否会影响生物体的生存产生深远的影响，”刘说。在这个实验中，偶然性战胜了趋同。过去的事件阻止了重复性。
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，阿维迪亚人的任务是发展解决复杂逻辑问题的能力，称为“位相等”。50个数字群体中只有4个进化出完成操作所需的代码。4所有成功的种群都是最初携带大量突变(随机的计算机代码片段)的种群，这使得它们更难解决数学问题，因此也更难繁殖。这似乎有违直觉，但Ofria发现，早期的坏突变对提高后代的适应性至关重要，可能是因为它们增加了后来随机突变可以发挥作用的基因变异。
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Lenski的实验中会进化到消耗柠檬酸盐，刘的所有病毒最终都会爬上适合它们的珠穆朗玛峰。此外，这些实验是在非常简单和受控的环境中进行的，与生命必须在实验室之外适应的复杂生态系统不相匹配。很难说现实世界的环境压力如何改变了结果。
到目前为止，在所有试图回答“生命磁带”问题的尝试中，最大的缺点是生物学家只能根据一个生物圈——地球的生物圈——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，它们也可能表现出相似的进化模式。他们需要一些能够传给后代的物质，这些物质能够指导生物体的发展，并随着时间的推移而发生变化。就像Lenski说的，“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，趋同和偶然性之间同样的相互作用可能会在其他行星上上演。如果外星生命面临着与地球生命相似的进化压力，未来的人类可能会发现外星人已经逐渐进化出与我们一样的智慧。5另一方面，如果偶然事件彼此建立，如古尔德所说，推动生命沿着独特的路径发展，那么外星生命可能会异常奇怪。
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，”他在信中写道美好生活“我一直认为它令人振奋，是自由和随之而来的道德责任的源泉。”
扎克·佐里奇是一名自由科学记者和特约编辑考古杂志
工具书类
1.古尔德,中华民国精彩的生活:伯吉斯页岩与历史的本质W.W.诺顿公司，纽约（1990年）。
2.布朗特，Z。，et al。历史的偶然性和关键创新的演变在实验人群中大肠杆菌。美国国家科学院院刊105年,7899-7906 (2008).
3.迪金森,B。,et al。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。美国国家科学院院刊110，9007 - 9012(2013)。
4.一个秘密三世,et al。关于有害突变作为适应性进化垫脚石的实验。美国国家科学院院刊(2013)。来自:doi: 10.1073 / pnas.1313424110
5.康威莫里斯,S。生命的解决方案：孤独宇宙中不可避免的人类剑桥大学出版社(2003)。
本文最初发表在2014年6月的《突变》杂志上。
