如果時間倒流,人類會再次進化嗎?

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如果讓時光退回到人類進化史上的任意一個時間點,重新開始會怎樣?美國古生物學家古爾德(Stephen Jay Gould)在上世紀80年代末提出了這一著名的假設思考,至今仍牽動著進化生物學家的想像力。

古爾德認為,如果時間倒流,進化會促使生命走上另一條與人類生命截然不同的道路,人類永遠不會再進化成現在的樣子。實際上,他認為人類的進化非常罕見,如果把生命誕生的過程重覆一百萬遍,也不會再次看到類似智人的物種出現。

他的理由是,偶然事件在進化過程中發揮了巨大的作用。包括大規模的滅絶事件,如災難性的小行星撞擊和火山爆發。但偶然事件也在微觀上發揮著作用。作為進化適應的基礎的基因突變,就有賴於偶然事件。

簡單地說,進化是隨機突變的產物。能夠提高某種有機體,在特定環境中相對於其他有機體的生存機會的突變極少,但隨著時間的推移,這種突變會變得普遍。從一個物種分化成兩個物種就始於這種罕見的突變。然而,進一步的隨機過程仍能產生干擾,可能會導致有益突變減少,並增加有害突變。這種內在的隨機性表明,如果回放生命誕生的過程,會得到不同的生命形式。

當然,在現實中,是不可能讓時光倒流的。我們永遠無法確切地知道,人類進化到目前程度的可能性有多大。然而,幸運的是,實驗進化生物學家的確有辦法在細菌的微觀尺度上檢驗古爾德的部分理論。

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Image caption 人類的進化有賴於數以百萬計的隨機事件和偶然突變,但自然選擇也起了引導作用

微生物的分裂和進化非常迅速。因此,我們可以在時間上冷凍數十億個相同的細胞,並將它們無限期存儲。這樣我們便可以提取其中一部分細胞,看它們會不會在新的環境中生長,並實時觀察它們的適應性變化。我們可以從"現在"去到"未來"然後再回來,想重覆多少次就重覆多少次——本質上就是在試管裏回放生命誕生的過程。

令人驚訝的是,很多細菌進化研究發現,在短期內的進化往往遵循非常容易預測到的路徑,經常出現相同的特徵和遺傳解決方案。比如,設想一個長期的實驗。在這個實驗中,由一次克隆產生的12份獨立的大腸桿菌種群,自1988年開始一直在不斷進化。這其中涉及逾65000代——自現代智人出現以來,人類只繁衍了7500至10000代。該實驗中所有的進化菌群都表現出比它們的祖先更強的適應性、更快的生長速度和更大的細胞體積。這表明,有機體在如何進化上存在一些限制。

有一種進化力量讓不斷進化的有機體保持中規中矩。自然選擇是進化的「引導者」,控制著隨機突變引發的混亂,並鼓勵有益突變。這意味著很多基因變異會隨著時間的推移而逐漸消失,只有最有利的變異才會持續下去。這可能導致同樣的生存解決方案在完全不相關的物種中實現。

我們在進化史上發現了這方面的證據,親緣關係不密切,但生存環境相似的物種,會進化出相似的特徵。比如,已經滅絶的翼龍和鳥類都進化出了翅膀和獨特的喙,但它們的近代祖先並不相同。所以翅膀和喙進化了兩次,並且是同時進行的,原因在於進化壓力。

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Image caption 翼龍進化出的翅膀和喙與我們在現代鳥類身上看到的截然不同

但基因結構也很重要。並非所有基因都生來平等:相比於其他基因,有些基因有非常重要的功能。基因常被組織成網絡,像電路一樣,有冗餘開關和「主開關」。「主開關」的突變自然會引起更大的變異,因為在其控制下的所有基因都能感受到連鎖反應。這意味著基因組中的某些位置會比其他位置更頻繁地為進化做出貢獻,或者說產生更大的影響,從而使進化結果發生偏轉。

那麼基本的物理規律呢?它們是否支持可以預測的進化?在非常大的尺度上看起來是這樣的。我們知道很多關於宇宙規律的理論是確定的。比如,重力是一種可以預測的力量。因為有重力,才有海洋、厚厚的大氣層和為我們提供能量的太陽核聚變。牛頓(Isaac Newton)理論基於大範疇的確定性,也可以用來描述大規模的系統。它們將宇宙描述為完全可預測的。

如果牛頓的觀點完全正確,那麼人類的進化便是一種必然。然而,這種令人欣慰的可預測性,被20世紀發現的量子力學理論打破了。在最小的原子和粒子尺度上,真正的隨機性在發揮作用——這意味著我們這個世界在最基本的層面上是不可預測的。

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Image caption 如果讓時間倒流,智人不太可能再次出現,但可能會出現類似的物種

這意味著,無論將這個過程重覆多少次,廣泛的進化「規律」是一樣的。接收太陽能的有機體永遠具有進化上的優勢。對於那些利用大氣中豐富氣體的人來說,總是有機會的。從這些適應中,我們可以預見到熟悉的生態系統的出現。

但最終,很多進化過程固有的隨機性,會讓我們失去完全確定地「預見未來」的能力。

用天文學中的一個問題可以恰當的類比。在18世紀,一個數學研究機構設立獎項,獎勵解答"三體問題"的人。解答這個問題需要精確描述太陽、地球和月球之間的引力關係以及由此形成的軌道。

獲獎者從本質上證明了這個問題根本無解。就像隨機突變帶來的混亂,起初的細微錯誤會不可避免地進一步發展,這意味著你無法輕易斷定這三者未來最終會走向何方。但作為其中佔據支配地位的一方,太陽在一定程度上決定著了3顆行球的軌道——讓我們能夠將它們可能的位置縮小在一個範圍內。

這很像進化的指引者,它們將不斷適應的生物體固定在熟悉的路線上。如果時間倒流,我們不能確定,人類最終會到達哪裏,但進化生物體可選擇的道路也不是無限的。所以,人類或許不會再出現了,但無論取代人類世界的是一個什麼樣的外星世界,它都會是一個我們熟悉的地方。

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