地球生命的历史以新基因的进化为标志——人类显然拥有比变形虫更多、功能更多样的基因。那么，这些具有新功能的额外基因从何而来？对基因组的分析表明，现有基因的复制和修饰似乎是这种创新的主要途径。
传统观点认为，重复的基因为进化提供了原材料。原始基因继续发挥其作用，而另一个副本则可以自由地向不同的方向进化。
例如，鸭嘴兽的刺所释放的毒液混合物包括三种与该生物免疫系统中使用的抗菌化合物非常相似的肽。毒液分子从编码免疫化合物的基因的重复中进化而来。科学家将具有不同功能的相似基因组称为家族。人类也携带重复的基因——眼后部的一组对入射光子作出反应的分子来自视蛋白基因家族。在人类基因组中，重复的基因在与黑猩猩的共同祖先分化过程中可能起到了关键作用。
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基因复制可能导致具有新功能的基因的想法已经存在一段时间了。遗传学家大野乾在 1970 年详细解释了该理论。他认为，复制是最重要的进化力量——比例如遗传漂变更强大。科学家们仍在研究具体细节，因为重复基因中最终出现的大多数突变都是有害的，这意味着它们会导致功能丧失；重复基因需要存在几代才能获得有益的突变。但该模型要求自然选择应保留额外的基因副本，直到它们有机会变得更好。
这个问题困扰着瑞典乌普萨拉大学的微生物学家丹·安德森和加州大学戴维斯分校的遗传学家约翰·罗斯。为了更好地解释新基因如何进化，他们建议修改旧模型：与其等待有益的突变，不如有益的突变首先出现。
该模型注意到这样一个事实，即许多基因在编码特定蛋白质的主要工作方面做得非常好，但也具有在某些环境压力下可能变得重要的弱二级功能。例如，一个基因可能编码一种帮助细菌吞噬葡萄糖的蛋白质，但也允许细菌以淀粉状纤维素为食。如果其环境中所有的糖都消失了，只剩下纤维素，那么具有这种基因的细菌将有能力吃更多的纤维素，因此随着时间的推移将被选择并存活下来。安德森和罗斯的模型假定，偶然已经存在的有益突变会受到自然选择的青睐并保留在基因组中。当基因通过复制被扩增时，额外的副本会产生新的基因，这些基因更擅长执行二级功能，从而使其成为首选。“关键是它永远不会脱离选择，”罗斯说。
在《科学》杂志上的一项研究中，安德森、罗斯及其同事在实验室培养的肠道沙门氏菌中演示了这个过程。他们培养了一种缺失表达必需氨基酸色氨酸的关键基因的菌株。该菌株需要依赖另一个基因，该基因有一个主要工作，但也有微弱的能力来承担缺失基因的工作。研究人员鼓励细菌复制过度工作的基因，其副本收集了突变——其中一些增强了色氨酸的产生。一年后（3000 代之后），细菌拥有一个执行原始工作的基因和一个已经进化出新的主要功能的基因——制造色氨酸。
在此研究之前，科学家们依赖于更多的理论方法，例如生物信息学来推断新基因是如何产生的。现在，他们已经通过实验证明了新基因的进化。研究小组于 10 月 19 日发表了他们的研究结果。
密苏里大学哥伦比亚分校的进化生物学家加文·康南特（他没有参与这项研究）表示，该模型解释了进化中新事物的产生方式，这“非常令人兴奋”。该模型是否适用于细菌以外的生物体仍有待观察，但康南特表示，如果研究人员最终没有在其他系统中发现该过程，他会感到非常惊讶。“他们对该模型进行了逐步记录，基本上证明了这种情况可能发生，”他说。
康南特指出，当微生物可以在短短几年内进化出新能力时，我们不可能领先它们 40 年。但微生物并非总是与我们作对。如果该模型成立，它可以为研究人员提供洞见，以利用进化的力量——例如，生物工程师诱导微生物吞噬溢油。康南特谈到基因组的创新能力时说：“它再次提醒我们，进化在微生物中是多么强大。”