密歇根大學
摘要：
一種主流的進化論認為，大多數基因變化無關緊要，但新的證據表明並非如此。研究人員發現，有益突變的發生頻率出乎意料地高。關鍵在於，不斷變化的環境會阻止這些突變在變得無用或有害之前廣泛傳播。事實證明，進化與其說是為了達到完美，不如說是為了永無止境地追逐一個不斷變化的目標。
進化的運作方式與我們想象的不同
進化並非中立或已完成——它是一場與瞬息萬變的世界進行的永不停歇的競賽。圖片來源：Shutterstock
幾十年來，許多進化生物學家一直認為，大多數塑造基因和蛋白質的基因變化都是中性的。在這種觀點下，突變通常既無益也無害，因此它們可以悄無聲息地傳播，而不會受到自然選擇的強烈青睞或排斥。
密歇根大學的一項新研究挑戰了這一長期存在的假設，並表明進化的運作方式可能與我們之前認為的截然不同。
重新思考進化的中性理論
隨著物種的進化，隨機的基因突變會出現。有些突變會固定下來，這意味著它們會傳播開來，直到種群中的每個個體都攜帶這種改變。分子進化的中性理論認為，大多數達到這一階段的突變都是中性的。進化生物學家張建誌解釋說，有害突變會被迅速淘汰，而有益突變則被認為極其罕見。
張建誌和他的同事著手檢驗這一理論是否經得起更深入的考察。他們的研究結果揭示了一個重大問題。研究人員發現，有益突變的發生頻率遠高於中性理論的預測。與此同時，他們觀察到，突變在種群中固定下來的總體速率遠低於預期，如果如此多的有益突變得以保留，那麽固定下來的速率應該更高。
為什麽有益突變往往無法持久
為了解釋這一矛盾，研究團隊提出了一個基於環境變化的新解釋。在一種環境下具有優勢的突變，一旦環境發生變化，就可能變得有害。由於環境變化頻繁，許多有益突變從未廣泛傳播到足以固定下來的程度。
這項由美國國立衛生研究院資助的研究發表在《自然生態與進化》雜誌上。
“我們認為結果是中性的，但過程並非中性，”密歇根大學生態與進化生物學教授張教授說道。“我們的模型表明，自然種群並非真正適應其環境，因為環境變化非常迅速，種群始終在追逐環境的變化。”
張教授將這一框架稱為“具有拮抗性多效性的適應性追蹤”。這一理念有助於解釋為什麽生物體很少能與周圍環境完美匹配。
這對人類和其他物種意味著什麽？
張教授認為，這些發現具有廣泛的意義，包括對人類而言。現代環境與我們祖先所處的環境截然不同，這或許可以解釋為什麽某些遺傳特征不再像以前那樣對我們有效。
“我認為這具有廣泛的意義。例如，人類。我們的環境發生了巨大的變化，我們的基因可能並不完全適應今天的環境，因為我們經曆過許多不同的環境。一些突變在過去的環境中可能是有益的，但在今天卻不匹配，”張教授說道。
他補充說，一個種群的適應程度取決於其環境最近發生變化的時間。
“在任何時候觀察一個自然種群，根據環境最近一次發生重大變化的時間，該種群的適應程度可能很差，也可能相對較好。但我們可能永遠不會看到任何完全適應其環境的種群，因為完全適應所需的時間幾乎超過了任何自然環境能夠保持穩定的時間。”
科學家如何研究有益突變
分子進化中性理論於20世紀60年代提出，當時蛋白質和基因測序技術的進步使科學家能夠從分子層麵研究進化，而不僅僅關注形狀和結構等物理特征。
為了衡量有益突變的發生頻率，張和他的團隊分析了他們實驗室和其他實驗室生成的大量深度突變掃描數據集。在這些實驗中，研究人員在酵母和大腸杆菌等生物體的單個基因或基因組片段中人為地引入了許多不同的突變。
然後，他們追蹤這些生物體多代的生長情況，並將其與野生型（自然界中最常見的形式）的生長情況進行比較。通過測量生長差異，研究人員可以評估突變對生物體是有益還是有害。
結果表明，超過1%的突變是有益的。這個比例相當高。
Nature Ecology, 2025; 9 (12): 2358 DOI: 10.1038/s41559-025-02887-1
