造就第428位講者 張文駒

復旦大學生命科學學院教授

我是來自復旦大學生命學院的老師。什麼是宇宙中最偉大的創造者？我認為是生命。

大家看這張圖，生命是如此奇妙多樣，完全超乎我們的想象。

地球上現存物種大約有三百萬到幾千萬不等，這還只是曾經存過的很小一部分，不到1%。也就是說99%的物種，都已經消失在歷史的塵埃當中，少數變成化石，大部分找不到蹤影了。

像圖片上這些翅膀長達20米的鳥、恐龍、始祖鳥等，它們是怎樣被創造出來的呢？今天我們就要討論這個話題。

進化論是正確的嗎？

很多人會說，是進化造就了生物的多樣性，我也同意。但“進化”這個答案是正確的嗎？究竟是什麼力量創造出它們來呢？

這個問題，幾百年來令很多人非常著迷。直到大約200年前，英國劍橋大學神學院的一個學生，也就是後來我們所熟知的生物學家達爾文，經過5年的環球考察和20多年的研究，於1859年發表了震驚世人的《物種起源》，用自然科學的理論解釋了生命多樣性的來源。

160年來，這個理論被攻擊、曲解、濫用，但是直到今天，依然沒有比這更好的理論，它依然是指引我們不斷探索和理解生命世界的燈塔。

我們來看看這些大家耳熟能詳的概念：

生存鬥爭、優勝劣汰、弱肉強食、適者生存……它們全都來自於這個理論。但是這些概念沒有一個能夠完整地反映達爾文進化論的核心，實質上進化論最具創新意義的概念，是自然選擇。

簡單來說，達爾文的理論核心是，生命的進化或者新物種的出現，是生命的本性和它生存環境中可利用資源的有限性之間相互作用的結果。

以在某個特定空間裡繁殖的生命為例：這個空間裡有很多生命體，在繁殖過程中，有個重要的特性就是會發生變異或者說突變，會產生變化。

這是單個個體的行為，在這個圖裡面可以看出，某些綠色的個體突然繁殖出了紅色或者白色的後代，這是重要的第一步。

第二步是什麼呢，當變異形成以後， 它未來的命運會怎麼樣？這就進入群體行為的階段。比如紅色的生命體獲得了更多的資源，這時候它就能夠生存得更好，繁殖更多這種類型的後代。這樣的話，綠色的個體就逐漸被紅色取代。

在特定情況下，雖然有變異產生，但是綠色類型依然能夠獲得更多資源，紅色類型又逐漸消失了，群體就會保持原樣。

基因頻率（編注：指在一個種群基因庫中，某個基因佔全部等位基因數的比率）的改變就是進化的本質。所謂自然選擇就是區別不同個體的生存和繁殖能力。

怎麼來區別呢，通過個體的競爭，在我們看來是“鬥爭”。而如果它們生存的環境恰好不相同的話，就有利於產生多種類型的生命，多樣性就產生了。

就好比如果綠色的個體，全部只喜歡吃胡蘿蔔，它的生存的環境裡面只有胡蘿蔔，那它們都得吃胡蘿蔔。如果胡蘿蔔足夠多，那大家都能活下去。但如果胡蘿蔔的資源是有限的，那大家就得去競爭；而如果大環境裡的資源不僅有胡蘿蔔，還有白菜、土豆，生命可以進化出吃土豆、白菜的類型，這就可以避免競爭，使得不同的生命群體得以延續下去，同時也產生新的生物類型。

這就是達爾文的基本思想，然而它曾受到很多人的質疑。

1998年，英國牛津大學的保羅·雷尼（Paul Rainey）教授課題組在《自然》雜誌上發表了一篇驗證達爾文進化論的論文。

他用了一個很容易培養，繁殖很快的單細胞細菌做實驗，這個細菌一天時間裡就能繁殖出很多代，出現很多不同個體。

實驗過程中，他把同一個菌斑的菌，分成兩部分放進兩個培養基，一個不停搖動，另一個保持靜止，就這麼簡單的差別。

結果有什麼差異呢？

靜止不動的培養基，3～5天后長出了兩三種不同類型的菌。

處於搖動環境的培養基，繁殖出來的還是原來放進去那種細菌。

為什麼會產生這樣的差異？

因為在搖動的杯子裡面，生長環境是均勻一致的，而在靜止的杯子裡，生長環境是有差別的。差別主要在於接觸的空氣不太一樣，表面的液體能接觸空氣，下面的液體則接觸不到，所以這個培養基裡的水，上中下層的含氧量是不一樣的。在靜止狀態中，三種環境裡的生命獲得的資源不一樣，一些變異類型因此出現併產生大量後代。

我們當然不能指望在這樣簡單的杯子裡能進化出多種多樣的生物，但是通過這個實驗，我們可以知道，只要有多樣的環境，就可以進化出多種類型的生物。

約為1/4平方米中的不同物種

一個杯子裡面3天5天就能產生1到3種類型的細菌，把進化空間擴大到地球，你就能理解，有著複雜大腦的人類是怎樣在幾億年，乃至幾十億年中逐漸進化出來的。

生物的創造力遠超出我們的想象。

而最近100多年來，隨著科技的發展，我們對生物變異方式的理解也在大大加深，物種誕生和演進的過程越來越“可視”，不再只是停留在達爾文的天才想象之中。

基因變異是物種創造的開始

基因變異，是創造新物種的第一步，這個變異體現在哪裡呢？我們人類和其他生物（一些病毒除外）的所有特徵，或者所謂進化的變化，都會在細胞的DNA分子上反映出來。

比如說我們的鼻子、眼睛、頭髮等等的遺傳信息都記錄在DNA分子上，它們主要處於細胞核中。圖中細胞裡的藍色區域就是細胞核。

人類有46條DNA分子，都集中在這個區域當中，它們會在細胞分裂的時候變成46條染色體，變異就在這個過程中產生。

比較常見的一種基因變異，是單鹼基突變。

舉個例子——鐮刀型貧血症，就是一個核苷酸變異了，從GAG變成了GTG，而對應它編碼的氨基酸，就從穀氨酸變成纈氨酸。

這時候，人的血紅蛋白就不正常了，就會得貧血症。

這種單鹼基的突變很多。但是生物在進化中也會出現新的變異模式，比如“轉座子”就是其中一種重要的類型，它是一種可移動的DNA片段。

在基因組裡面一段DNA從原來的位點搬運到另外的位點，並對其後的基因起調控作用，這樣的過程稱為“轉座”，像樹叢中飛來飛去的蝴蝶，它會使基因變異的速度大大提高。有了變異，進化也就有了可能。

我們人體裡45%的DNA片段，都是這樣可移動的片段，雖然它移動的概率很低；玉米里的轉座子比例高達70%到80%，那它們造成的變異就很多。

還有一種物種創造的方式是重組，它可以把兩個不同的東西組合起來。

比如上世紀80年代出現的艾滋病，它怎麼來的呢？

它最早來源於非洲的兩種猴子——白頸白眉猴和大白鼻長尾猴，它的病毒叫SIV（Simian immunodeficiency virus，猴免疫缺陷病毒）。

因為黑猩猩會把捕殺到的猴子生吃掉，這兩種猴子的病毒就在黑猩猩的身體裡重組，產生出一種新的病毒。它的感染力很強，感染了大猩猩之後，又通過某種方式感染到我們人類。這就是HIV（Human Immunodeficiency Virus，人類免疫缺陷病毒），人類的艾滋病毒是由兩種SIV病毒組合產生的。

而這種變化組合形式，在生命進化裡面已經固定下來，那就是——有性生殖。

最早的生物是沒有性別之分的，生物的繁殖不需要性別和性，但在進化當中，性慢慢出現了。

最先出現的可能沒有性別之分的結合生殖，如水綿，它有個類似有性生殖的過程：正常情況下，水綿的繁殖是斷成幾節就變成不同的新個體；但有時候，水綿細胞壁上會長出一個凸起，通過這個凸起，把物質全部運送到另外一個細胞裡，形成一個合子，這個細胞會挪到水底下，等條件適合再長出新的個體來。

這就是最早的性的產生。

這個衣藻，是另外一種單細胞生物。它可以無性繁殖，在圖示的右邊，兩次分裂變成4個細胞，等細胞長大就變成一個成熟的衣藻。

但是在一些偶然的時刻，分裂 4次形成8個細胞之後（如圖左），這些細胞不再生長，只有兩兩結合成一個合子，在水裡面度過不良環境之後，再經過幾次分裂，才變成新的個體。這就是性的開始。

所以生物的性別，並不是一開始就有的。

有性繁殖的好處在哪呢？它可以把不同個體的基因組合在一起形成更多的變異類型。結合的兩個生殖細胞逐漸從兩個一樣的細胞，變成一大一小兩個細胞，最後變成我們現在知道的卵和精。

現在大多生物都是通過精卵結合的方式進行繁殖，包括人類。卵和精的差別很大，但最開始的時候，它們是這樣進化來的。

在有性繁殖的進化中，一個重要的機制是減數分裂。

在兩個細胞形成合子以後，有一個特殊的分裂，使得合子的基因組減半，它的好處是可以把不同個體的基因納入到一起，進行重新組合，形成新的類型，比單一個體的基因突變，來得方便、來得快。

這種機制，也不是生來就有的，它是物種在適應環境變化過程中不斷進化出來的。

性別產生以後導致的結果就是出現了新的選擇方式，以前是外界環境選擇，現在，同個物種不同性別的個體間可以互相選擇，比如說雌性選擇雄性，像天堂鳥這樣漂亮的羽毛和外形，都得益於雌雄分化和性別選擇。

還有一種物種創造方式，不是同種的個體結合，而是一個生物直接把外面的一個東西一口吞噬進去。

這是一個細菌，它可以通過纖毛把外面環節的DNA片段攝入體內，變成它的一部分，從而改變自己的基因組結構。

研究發現，幾乎所有現存的植物都來自一次重要事件：大概二十幾億年前，我們的一個老祖先（編注：這裡指的是某個原始真核生物。真核生物是所有單細胞或多細胞的、其細胞具有細胞核的生物的總稱，它包括所有動物、植物、真菌和其它具有由膜包裹著的複雜亞細胞結構的生物。）一口把另外一個生物吞進去了。

它吞進了什麼東西呢？一個能夠進行光合作用的細菌。

吞到細胞裡面去後，它沒有把這個細菌消化掉，而變成它的一部分。這樣，幾乎所有的植物都是這樣來的。

把光合細菌的基因組，變成它的一部分，這叫作內共生起源。

就相當於一個公司，把另一個小公司吞併以後，把對方所有專利全部買進，變成一個大公司，有了新的功能，它的能力一下子增強了很多。本來只能通過單個基因突變進化，現在它可能一下子吃進去100個基因，極大提升了進化節奏。

另外一種辦法是什麼呢？雜交。

物種間的雜交，常常伴隨基因組加倍，比如說兩個物種原本各自有1000個基因，雜交以後基因組增加了一倍，變成2000個。

相當於兩個小公司合併變成一個大公司。

舉個例子，我們生活中經常吃的小麥，穗子很大。但它的祖先是什麼樣呢？你可能想不到，它的祖先是這樣的。

它祖先是三種植物，一種是單粒小麥，穗子很小，比鉛筆還要細，另外兩種分別是山羊草和節節麥。

先是野生的單粒小麥和山羊草雜交，基因組加倍。野生的單粒小麥，只有14條染色體，但是它雜交後變成28個，成為硬粒小麥。

然後硬粒小麥和麥田裡面的另外一種草——節節麥再進行雜交，基因組再次加倍，變成6倍體，擁有42條染色體，這才形成了我們現在吃的小麥。

所有的開花植物都會經歷這樣的過程，而且不止一次。玉米、大豆、高粱……都是這樣進化而來的。

環境造就了生命類型多樣化

除了變異，生物進化還包括另外一個部分，就是環境的選擇，兩者缺一不可。

變異是個體行為，而環境選擇是群體行為，只有變異還不能夠創造出多姿多彩的生命類型，所以環境很重要。而環境又處於不斷的變化當中，這種變化，一方面來自生物本身：比如原來地球表面的大氣裡是沒有氧氣的。

那麼氧氣是怎麼來呢？是光合細菌產生以後，它不斷把氧氣釋放到空氣當中，使得空氣裡面的氧濃度發生改變，而光合細菌是物種進化產生的。

這個改變創造了新的環境條件，使得有氧生物能在地球表面生活，這是個巨大的變化。氧濃度增加以後，生物的創造力大大加強，地球上的物種呈現出爆發式的增長。有人猜測，所謂的寒武紀爆發，也跟這個有關。

另一方面，隨著生物種類的增加，物種間的關係變得更復雜，相互之間有了更密切的關聯。所謂選擇，不再是無機環境對生物的作用，更重要的是生物對生物的選擇。

最簡單的例子，昆蟲和蘭花，兩者的相互合作就形成了協同進化（Co-Evolution）。

這個進化，和溫度、鹽、水等條件對生物的選擇不一樣，是一種競賽。這種巨大的力量使得它們相互之間產生了很多類型。比如下面這些人形的花朵，像這樣的奇特生物，大多就來自於生物本身的選擇。

就這樣慢慢地，昆蟲也多起來了，植物也多起來了，兩者相互關聯，生命就越來越豐富。

總而言之，生命就像山峰上的巨石，一旦這個巨石往山谷下滾動，速度就會越來越快。

山峰上的巨石滾落源於地心引力，而促使生命這塊巨石加速滾動的力量來自哪裡呢？

來自於生命的本性和環境的相互作用。

這就是大自然神奇的創造力，新物種就是這樣誕生和更替的。

編輯：李瑩

校對：漫倩

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