如果世界重來一遍，人類還會出現嗎？

知識 06-23

在不到五毫秒的時間裡，一隻穴螈屬（Hydromantes）的動物可以把舌頭彈射出嘴巴，抓住一隻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，受制於解剖結構，蛙類和變色龍的動作則相對要慢得多了。

太快了？放慢40倍來看——

「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，蠑螈這種做什麼事兒都不快的，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。這種適應特徵看上去獨一無二，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徵。

「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。

布爾吉斯頁岩：

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·傑伊·古爾德（Stephen Jay Gould）有關。1989年，他在《奇妙的生命：布爾吉斯頁岩中的生命故事》一書中提出了這個問題（並用了「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，並且以化石形式保存在布爾吉斯頁岩（Burgess Shale）中。

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，都在今天仍然有後代。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。

布爾吉斯頁岩的動物群，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，那麼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。

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）對布爾吉斯頁岩的研究；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徵，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，來填補我們現在所佔據的生態位。這種觀點，古爾德並不同意。

歐巴賓海蠍的藝術化形象。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，並且將其傳送回它奇異的、向後的嘴巴 | Nobu Tamura

其實，這兩位學者都認同，趨同性和偶然性是同時存在於演化之中的。他們爭論的是，像人類智慧這樣關鍵的適應特徵，是否可重複，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，並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）的演化生物學家採取了和古生物學家不同的方式。他並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。

et al./ PLOS Biology（2005）

1988 年，他將來源於同一個大腸桿菌（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 年裡，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複。」

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，裡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 年後，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。

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；但結果並非如此。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年後，也就是大約31500代之後，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，都來自那個後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。最後，在72個樣本里，有4個獲得了這種代謝能力；並且，這個突變只在30500代之後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，這些突變推動了之後演化事件的發生。換句話說，這種利用檸檬酸鹽的能力，依賴於之前出現的其他突變。這些突變形成了分岔口，改變了之後的世代所能夠行進的路徑。

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，並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，這些轉變並非是完全隨機的。

穴螈與變色龍：

為什麼變色龍的舌頭比較慢？

無論過程如何，「並非一切皆有可能。」韋克解釋道，「生物體在它們自己的『遺傳特徵框架』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，它們的舌頭部分源於一些肌肉，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，包裹在嘴巴後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，這個適應特徵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於肺的依賴，畢竟那原本是用來控制氧氣和浮力的。每一個變化，都取決於它之前的變化。

和穴螈不同的是，變色龍保留了它們的肺。它們並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於一致了；但如果仔細觀察，你會發現並非如此。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。為什麼變色龍不得不用這麼慢的舌頭捕食？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「遺傳特徵框架」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）。

噬菌體：

是什麼限制了演化的頂峰？

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，為什麼偶然性的事件不會經常重複。

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。

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，並且在轉錄成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麼快的舌頭，這些病毒演出的適應特徵也如此——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麼？不如這樣想像：這裡有一片地形，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。

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複性。」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複性造成了阻礙。

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：解開一個複雜的邏輯問題。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，對於提升後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，為之後的隨機突變提供了基礎。

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：並不。「你不能愚蠢地斷言說不會有這樣或那樣的事發生，問題其實在於時間的尺度。」

他相信，不論過程中會有什麼偶然性事件發生，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徵，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複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麼樣的變化。

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於同一個生物圈——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後代的物質，這些會引導生物體的發展，並隨著時間而變化。正如蘭斯基所說：「適用於大腸桿菌的，也同樣適用於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，那麼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範疇以外的重要含義。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。」

作者：Zach Zorich

翻譯：麥麥

編輯：李子李子簡訊

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

http://nautil.us/issue/34/adaptation/if-the-world-began-again-would-life-as-we-know-it-exist-rp

（由Nautilus授權果殼轉載並翻譯）