进化是可预测的吗？
2020/6/9 17:00:00 中国科普博览
地球上的生命有着惊人的多样性和复杂性：从藻类到大象，有着多达800万，甚至是更多的生物物种，都是从一个共同祖先——35亿年前的简单单细胞进化而来的。这是否意味着进化有一个可预测的方向？更大的多样性和复杂性是否总是不可避免的？
达尔文指出了自然选择发生的三个必要因素：个体必须是不同的，所以种群中存在变异；这种变异必须能够传递给后代；个体必须为争夺资源而竞争，从而限制所能产生的后代数量。拥有了能够获得更多资源的变异基因的个体，也就有了产生更多像它们一样的后代的可能。
进化同样还依赖于环境，众所周知的是，环境是一种会以不可预知的方式不断变化的因素。例如，那些在黑暗洞穴中生活和进化的鱼，通常会失去它们的眼睛，因为对它们来说，维持眼睛的成本超过了拥有眼睛的优势。
失明的洞穴鱼。| 图片来源：wikipedia
所以说，自然选择会代代相传，但它不能提前计划，也没有一个具体目标。此外，并非所有的进化变化都是选择的结果，它可以是中性或随机的。它甚至无法保证可以产生更多的物种，因为一个单一谱系也可以发生进化，然后它可以在任何时候灭绝。那么，我们要如何将这样一个并无目的的过程，与所看到的令人费解的多样性和复杂性相协调呢？
Part. 1
生态与进化宛若一枚硬币的两个不同的面。环境不仅指生物体所处的物理环境，还包括与生物体相互作用的其他生物物种。
我们可以在漫长的生命史中看到生物与环境的相互作用。生物曾以单细胞的形式被“困”在海洋中长达数十亿年。几个不同的类群独立进化出了多细胞性。但是，直到大约5.4亿年前，第一批具有复杂发育、不同组织和器官的动物、植物以及真菌，才随着寒武纪生物多样性的“大爆发”出现。
这或许是由海洋中的氧气含量的增加而引发的，而这又表明，这是在数百万年的时间里，那些简单的生命形式进行光合作用(植物和其他生物将阳光转化为能量并释放氧气的过程)的结果。
一旦动物长到更大的尺寸，并进化出内脏、下颚、牙齿、眼睛和腿等，繁杂的食物网就会伴随捕食者和猎物之间的“军备竞赛”成为可能。具有适应性的类群可以使它们在陆地上生存，让它们获得更多的机会。这个口子一旦撕开，这些创新就很难再被消灭，多样性就出现了。
下图是达尔文的《物种起源》中显示了物种随时间分裂的图。如果物种的起源多于灭绝，那么物种丰度就会增加。这让达尔文想知道，生态空间是否真的有一天就这样被“填满”。
《物种起源》中的图示。| 图片来源：Wikipedia
目前据我们所知的是，在过去的2.5亿年里，物种数量一直在增加。即使在那几次大型的灭绝事件中，也只是受到了暂时的挫败，从更长远的角度来看，它们甚至可能为物种多样性创造了更多的机会。
Part. 2
然而，随着生物体进化出更加复杂的发育系统，它们改变自身某些结构的能力可能会随之降低。这在一定程度上是因为基因、组织和器官通常拥有几种不同的功能，所以要想把其中一种变得更好，且不会意外地对其他的某些方面造成破坏，会是一件很困难的事。
例如无论是长颈鹿还是人类，几乎所有的哺乳动物都只有7块颈骨。每当这些物种发育或进化出了不同的数量时，都会造成其他的解剖学问题。鸟类则完全不同，它们似乎能轻而易举地进化出不同数量的颈部椎骨，单是天鹅就有22到25块颈部椎骨。但总的来说，当进化产生新物种时，这些物种的形体构型的灵活性可能就会随着复杂性的增加而降低。
通常情况下，相近的物种最终会沿着相似的路径被选择。此外，“发育偏差”则意味着解剖变异并非随机产生的。
以哺乳动物为例，它们都来自一个共同的祖先，并且尽管在不同的大陆上生活和进化，却有着惊人相似的型，这是进化并非完全不可预测的另一个力证——对于同样的物理和生物问题，只有这么多种解决方案，比如看、挖掘，或飞行。
Part. 3
显然，在进化生物学的核心存在着明显的矛盾。一方面，进化的机制在任何特定方向上并没有倾向。而另一方面，当这些机制运行起来，超越一定的阈值，它们所造成的生态和发展系统的交织就会趋向于产生越来越多的物种和更大的复杂性。
那么，我们能否期待未来会出现更大的多样性和复杂性呢？我们现在正处于第六次物种大灭绝的开端，这会是一场由人类引发的大灭绝，它会抹杀数百万年的进化结果，而且没有任何停止的迹象。尽管如此，人类自身数量众多，分布广泛，且适应性强，因此短时间内并不会面临灭绝危险。而更有可能的是，人类将通过在其他星球上建造可居住的生物圈，进一步扩大我们的分布。
也许有一天，我们会在其他星球上发现外星生命。它们会遵循与地球上生命相同的进化轨迹吗？或许在那里，从单细胞向多细胞的过渡只是一个可轻松跨越的障碍。尽管这一幕在地球上出现得很晚，但却发生了很多次。在地球上只有少数类群进化出了更复杂的不同组织类型，因此这或许代表了更高的难度。
如果外星生物克服了一些障碍，它们的发展确实可能更倾向于增加多样性和最大复杂性的模式。但是，对行星上的其他物种来说，存在像人类这样的占主导地位的智能物种，或许永远会是一个坏的消息。
天文学家弗兰克·德雷克(Frank Drake)曾提出了一个用来估计银河系中可能会出现多少智慧文明的方程，它包含了用来描述这种文明在自我毁灭之前可能存在多久的一项。对于这一点，德雷克是悲观的。而对我们来说，或许只能但愿他是错的吧。
撰文：Matthew Wills(巴斯大学进化古生物学教授)
原文标题为“Evolution: why it seems to have a direction and what to expect next”，于2020年6月2日首发于The Conversation，原文链接：https://theconversation.com/evolution-why-it-seems-to-have-a-direction-and-what-to-expect-next-139706，中文内容仅供参考，一切内容以原文为准。
封面图：Gellinger / Pixabay
文章来源：原理撰文 ：Matthew Wills文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场
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