如果突变随机发生在物种基因组的整个序列中,那么像眼睛这样复杂的器官是如何进化的?所有指导该器官发育的突变是如何集中在正确的位置的?

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犹他大学的生物学家乔恩·西格帮助我们理解进化的随机性(以及非随机性)。

回顾物种基因组的历史,突变似乎确实会被某些基因组位置吸引(同样也会被其他位置排斥)。但表象可能具有欺骗性,而选择是一个伟大的魔术师。最初随机发生的突变最终可能看起来以高度非随机的模式“定向”,因为发生的大多数突变会很快从种群中消失,通常仅在一代内就会消失。相对来说,没有消失的少数突变是对进化变化有贡献的突变。

在一个种群中,每个单独的突变在首次发生时都非常罕见;通常,在整个物种的基因库中只有一个副本。但是,每一代都可能有大量的突变发生在整个物种中。目前,人类物种的数量超过 60 亿,如此庞大的数量意味着基因组中 30 亿个碱基对的每个碱基对在每一代都会在种群中的某个地方发生数次突变。其中一些突变非常有害,以至于它们的携带者甚至在出生前就被淘汰了。但是,绝大多数突变是无害的(或至少是可容忍的),只有极少数突变实际上是有益的。这些突变以极其罕见的替代版本进入种群,出现在它们发生的基因中。


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大多数新突变会因为它们很罕见而丢失(即使它们是有益的);然而,对生存和繁殖的非常小的影响可能会极大地影响不同突变在特定基因和基因内的特定位点积累的长期速率。其结果是一种看起来非随机且实际上非随机的进化变化模式:某些位点几乎从不改变,某些位点偶尔改变,而其他位点则相对频繁地改变。

但这并不意味着突变本身是非随机发生的。事后看来,就好像它们发生在需要的地方一样。但实际上,它们只是在需要的地方积累起来——先是一个,然后是另一个,再一个,经过许多代。在同一个基因组中将两个或多个有益突变聚集在一起可能需要一段时间,但如果它们没有从种群中消失,那么这最终会在有性物种中发生。

有时,回顾过去,生物学家可以推断出眼睛或其他一些复杂的适应是如何以特定方式(通过特定的进化变化序列)组装的。这自然而然地引出一个想法,即这种适应必须以特定方式组装,完全遵循该突变序列。但大量的证据和理论表明,这几乎永远不是真的。

一个粗糙且相对无效的光感应器官可能比根本没有要好得多,并且可能存在数千种不同的突变,这些突变会以不同的方式略微改善其功能。当其中一个突变发生,并且幸运地没有立即消失,然后在种群中频率上升时,它就为其他突变奠定了基础。但是,无法预测哪个突变将是下一个成功突变。

一些近期的人类适应的已知遗传历史很好地说明了这一原则。例如,在成年期普遍但不普遍地消化乳糖(乳糖耐受性)的能力最近被证明是由乳糖酶基因中和附近的几种不同突变引起的。这些突变发生在地理上孤立的种群中,这些种群的祖先是生活在非洲和欧亚大陆不同地区的早期牧民。在这种情况下,与其他情况一样,在确定众多可能突变中的哪一个会在给定的时间和地点最终响应召唤的过程中,似乎存在很多随机性。

也许适应一种新的食物资源(驯养的牛和山羊的奶)是可预测的,但显然即使在原则上,也无法预测它将如何发生。

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