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真正从底层逻辑去理解进化论，

还是要落脚到基因创新这个层面。

——胡霁

（本文仅为完整课程的1/6，后台回复关键词【基因】免费学习）

授课老师 | 胡霁上海科技大学生命科学学院研究员

虽然，生命可以通过新陈代谢的方式去对抗熵增，维持自身的秩序；但是，如果给定无限长度的时间，单个生命最终一定会败给熵增的力量。

面对“凡人必有一死”的宿命，生命使出了最后的大招：复制。

通过把自己有结构的秩序复制给后代，就可以让熵增对自身躯体的破坏变得无关紧要。

不过，生命所处的环境发生了太多的变化，如果生物只是单纯一代代地复制自己，是无法承受如此巨大变化的。

达尔文在1859年出版的《物种起源》，推翻了物种恒常不变的观点，指出物种可变。也正是因为物种发生了变化，才让生物能够在环境不断变化的情况下，继续获得生存。

在进化的层面上，面对更凶险的环境变化的冲击，生命甚至会变化自身想要维持的秩序，来更好地传承这个秩序。

所以，如果我们理解了如何有效地实现进化，那么，我们就有可能在面对自然选择、适者生存的时候，更可能成为那个适者。

“基因突变”只是个传说

达尔文真正更具有革命性的发现，是阐述了物种变化背后的原理。生物并不是主动去适应进化，而是变异。

通过变异，生物复制出许多不一样的后代，有各种不同的性状和功能；而自然环境，会选择出那些适合环境的后代存活下去，也就赋予了它们下一次复制的优势。

而这些被筛选后的后代，又会复制出一批不一样的后代。在经过一轮一轮地迭代之后，新的更适应环境的物种就替换掉了它们祖辈的物种。

人类也给纳入了生物进化的框架内。实际上，包括人类在内的所有几百万种的生物，都是由一个共同的祖先——叫做LUCA的单细胞生物，从简单到复杂这样进化而来的。也就是说，在这个过程里，一定发生了巨大的变化。

这种巨大的变异和进化，到底是怎么实现的呢？

现在我们都知道，生物传递的是一组叫做基因的生命秩序的图纸。

基因中储存的信息可以通过核糖核酸（RNA）的媒介，指导生物合成出千姿百态的各种生物大分子机器。生物大分子机器还可以帮助基因复制出新的基因，把这份图纸传递给下一代的生物。在下一代的生物里，继续指导它们合成一样的生物大分子机器，这就实现了秩序的复制和延续的过程。

但是，在信息传递的过程中，一定会有复制出错的可能性。一旦DNA分子发生了一些随机突变，整个序列所包含的信息就发生了变化。那么，最后产生的分子机器的功能就会发生变化。

于是科学家就猜想，随机突变的连续积累，是不是就是生物进化的微观本质呢？

但是很快，生物学家意识到一件事情：基因这套遗传系统首先要满足的，不是进化，而是复制。也就是说，在传递的时候，他首先要保障的是尽可能的准确。如果不够准确的话，那么下一代的生物面临的可能就不是进化，而是直接功能错乱，死掉了。

所以，DNA的化学结构是非常稳定的。这种稳定性，就可以保证生命在复制过程中，发生错误的概率极低。

经过测算，大概是每一代个体中，平均每8500万个DNA的碱基对里，才有一个碱基对会发生改变，也就是接近一亿分之一的突变概率。

这么低的概率，意味着即使是经过几亿年的发展，我们身体里的基因，可能只改变了它的百分之三四十。我们的基因其实是非常保守的，并没有发生我们以为的那样巨变。

很多反对进化论的人也敏锐地发现到了这一点，因此曾经有一位物理学家提出：“生命这样复杂的结构来自随机突变后进化的可能性，就像是一阵旋风吹过，就把一堆垃圾吹成一架波音737一样不可思议。”

新功能 ≠ 需要新基因

可是，事实上，我们人类和古代的祖先之间的差别，何止是30%。而且，除了人类以外，世界上还有上百万种不同的物种。这么一个宏大的产生几百万种物种的创新历程，究竟是如何产生的？

如果仅仅靠着随机突变，由此产生新的基因排列序列的效率是很低的。

根据进化论的要求，当我们遇到一个变化的环境，就需要一个新的功能来适应。那么，这么慢的基因突变速度，是如何跟得上这么快的进化速度的呢？

这个问题的隐含假设是，为了产生新的功能去适应环境的变化，我们就需要一个新的基因。实际并非如此。新的功能不一定需要一个全新的基因。

案例

有一种鱼叫做冰鱼，因为没有血红蛋白，所以血液接近无色。为何如此呢？因为在南极，水温非常低，甚至已经接近冰点。这意味着如果还用传统的血红蛋白来帮助携带氧气，血液肯定就会凝固，鱼也就完蛋了。

所以，这种鱼就果断废弃了血红蛋白，而是用血液本身来携带氧气。科学家发现，在这个鱼的血液里产生了一种抗冻蛋白，可以帮助冰鱼来实现这个目的。

科学家把抗冻蛋白拿出来研究了一下才发现，这个蛋白长得和鱼身体里常见的消化酶几乎一模一样。也就是说，消化酶本身也是有抗冻功能的，但是一般来说，没有生物会把消化酶直接放进自己的血液里。

通过基因序列的分析，科学家发现，在4200万年到2200万年前的地质变化中，因为地球板块的运动，冰鱼这个物种就被转移到了寒冷的南极地区。于是，传统的血液携氧方式就不能工作了，含有血红细胞鱼就都被淘汰了。

而与此同时，有些鱼里消化酶蛋白的基因，经过4%到7%的序列变化，从而失去了消化酶原版的功能，而强化了它防止血液结冰的抗冻功能，出现在血液里，让冰鱼能够在寒冷的南极海域里生存。

所以，生物不用为了新功能设计出一个全新的基因来。重新设计一个新的基因非常困难，也没有必要。

而经过更多的研究之后，生物学家发现这个方法的背后其实充满了奥妙。在生物设计自己的基因序列的时候，就特意留下能够进行这样功能转换的冗余性。

其实，在生物的基因组里，既可以让一段基因信息实现很多功能，也可以让一个功能对应着许多种可能的基因序列。在基因保存的信息和外在展现的功能之间，并不是一一对应的关系，而是有很多种映射关系的可能性。

而这种网状的映射关系，就让生物在面对环境变化的时候变得左右逢源，需要什么新功能，都可以从现有的基因的网络里稍微变化一点点，就可以实现。

维也纳大学的瓦格纳教授在《适者降临》这本书里惊叹到：

“进化需要生物同时拥有保守性和可变性。而基因型的网络在稳定的同时，已经包含了所有可变性的复杂度。这看似浪费的复杂性，其实却是基因为了应对各种不同的环境所留下的后手。”

他又说道：“科学技术和生物创新的一个共同点，都是擅长废物再利用。创造，在一定程度上说，其实就是对原有事物的组合优化。”

灵活的进化之网

在《物种起源》中，达尔文对生命的进化过程，用了一个形象的描述。他认为，所有的生物都像是在一个进化之树上，从最初的起源，经过一个分叉，两个物种就变得不一样了。然后到下一个分叉，又一个分叉，不断地分化，继续走下去。