本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
关于进化，最难理解的概念之一是它缺乏方向性。以人类进化的经典形象为例，从指关节行走的猿猴到强壮聪明的猎人
我们认为这是生命的自然进程。但事实是，并不能保证非洲的一些大脑发达的灵长类动物最终会像我们现在这样。我们变得更高、体毛更少、比我们的亲戚更聪明，这并非不可避免。当然，单细胞细菌状生物最终联合成多细胞生物，并最终导致大脑发达的灵长类动物，这也并非是必然的！
进化是不可预测的，随机性是决定事物如何变化的关键。但这与说生命是偶然进化而来的不同。这是因为，虽然进化的原因是随机的（我们基因中的突变），但进化的过程（选择）却不是。这有点像玩扑克——你收到的牌是随机的，但你用这手牌获胜的几率不是。而且，就像扑克一样，这不仅仅关乎你拿到什么牌。外部因素——你的朋友在扑克游戏中虚张声势的能力，或者生命游戏中的环境条件变化——也会发挥作用。所以，虽然进化不是随机的，但它是一场机遇的游戏，而且考虑到有多少物种灭绝，这几乎总是庄家赢的游戏。
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当然，机遇在进化中很重要。进化发生是因为没有什么是完美的，即使是复制我们 DNA 的酶也是如此。所有细胞都会增殖和分裂，为此，它们每次都必须复制其遗传信息。执行此操作的酶会尽力校对并确保它们忠实于原始代码，但它们会犯错误。它们放入鸟嘌呤而不是腺嘌呤或胸腺嘧啶，突然，基因就改变了。这些变化大多数是沉默的，不会影响每个基因编码的最终蛋白质。但有时这些变化会产生更大的影响，替换掉不同的氨基酸，这些氨基酸的化学性质会改变蛋白质（通常会变得更糟，但并非总是如此）。或者我们的细胞会犯更大的错误——整个基因或染色体的额外副本等等。
这些基因变化不会以任何方式预测个体的需求。长颈鹿并没有因为想要够到更高的树叶而“进化”出更长的脖子。我们并没有“进化”出更大的大脑，以便成为更好的问题解决者、社会生物或猎人。这些变化本身是随机的*。然而，影响它们在群体中频率的机制却不是。当一个变化使你（一个突变的动物）比你的同类更容易生存和繁殖时，它很可能会保留下来并在种群中传播。这就是
选择，驱动进化的机制。这可能意味着自然选择（因为它使你跑得更快或做一些事情以在你的环境中生存）或性选择（因为即使它使你不太可能生存，雌性也喜欢它）。无论哪种方式，选择都不是随机的：你比你最好的朋友更受欢迎并产生更多后代是有原因的。但是，最初发生的突变——那才是碰运气。
遗传机制造成的错误会导致生物体产生巨大的差异。以开花植物为例。开花植物有一个单一基因，可以制造花朵的雄性和雌性部分。但在许多物种中，这个基因在大约 1.2 亿年前意外地被复制了。这个基因已经突变并经历了选择，并且在不同的物种中以非常不同的方式进行了修饰。在阿拉伯芥（Arabidopsis）中，额外的副本现在导致豆荚裂开。但在金鱼草中，我们看到了最小的变化如何产生巨大的后果。它们也有两个基因副本来制造生殖器官。但在这些花朵中，每个副本几乎专门制造雄性或雌性部分。这种雄性/雌性分离是向性别分裂成个体生物迈出的第一步，就像我们一样。为什么？事实证明，导致在最终蛋白质中添加单个氨基酸的突变使得该基因的一个副本只能制造雄性部分。就是这样。一个单个氨基酸使一个基因仅为雄性，而不是同时为雄性和雌性。
或者，以像飞行这样专业化的事物为例。我们喜欢认为飞行进化是因为一些动物（在某种意义上）意识到了飞向空中将带来的巨大优势。但是，当你观察飞行的进化时，相反，它似乎是在某种意义上偶然进化的。以飞行大师——鸟类为例。
鸟类身体的一些关键改变使它们能够飞行。当然，最明显的是它们的羽毛。虽然羽毛看起来是为飞行而理想设计的，但我们能够回顾过去并意识到羽毛最初并非如此。通过惊人的化石发现，我们能够瞥见羽毛是如何产生的，并且很明显，起初，它们被用于空中旅行以外的任何用途。这些原始羽毛只不过是空心细丝，可能更像毛发，可能以类似的方式使用。发生了更多的突变，这些细丝开始分支、连接在一起。事实上，正如我们可能期望的那样，对于一个正在经历选择和变化的结构，有各种各样的恐龙带有羽毛状覆盖物，这表明在早期羽毛方面存在大量的遗传实验和多样性。并非所有这些原始羽毛都被选择出来，但最终只有这些众多形式中的一种最终看起来像现代羽毛，从而使独特的动物群体有机会飞行。
科学家们对这些早期羽毛的用途也有很多不同的看法。现代鸟类使用羽毛具有多种功能，包括择偶、体温调节和伪装，所有这些都与羽毛的进化有关。从一开始就没有计划，羽毛也不是一夜之间出现的，突然让恐龙能够飞行。相反，突变的积累导致了一种结构，这种结构恰好给了鸟类飞向空中的机会，即使那不是它的原始用途。
飞行昆虫也是如此。早在 19世纪，当进化论作为一门科学刚刚兴起时，圣乔治·杰克逊·米瓦特问道：“半个翅膀有什么用？” 当时，他的目的是嘲笑翅膀可以在没有创造者的情况下发展起来的观点。但对昆虫的研究表明，半个翅膀实际上非常有用，特别是对于像石蝇（蜉蝣的近亲）这样的水生昆虫。科学家们实验性地砍掉了石蝇的翅膀，看看会发生什么，结果证明，虽然它们不能飞，但它们可以在水面上更快地航行，同时消耗更少的能量。事实上，早期的昆虫翅膀可能起到了滑翔的作用，只是后来才让生物飞向空中。鸟类也可以使用半个翅膀——未发育的翅膀帮助雏鸟爬上更陡峭的山坡——所以半个翅膀是一件非常有用的东西。
但真正关键的是，如果你倒转时间，把现代鸟类的祖先之一，一种带有原始羽毛的恐龙，或者一只半翼昆虫放在相同的环境中，并施加相同的生态压力，它的后代不一定会飞。
那是因为如果你重演进化，你永远不知道会发生什么。最近，科学家们已经在实验室中用大肠杆菌细菌实验性地证明了这一点。他们取了一种大肠杆菌菌株，将其分成 12 个相同的培养皿，其中包含细菌无法消化的新型食物来源，从而在具有强烈选择压力的环境中开始了 12 个相同的菌落。他们培养了大约 50,000 代。每 500 代，他们冷冻一些细菌。大约 31,500 代之后，十二个菌落中的一个菌落发展出利用新营养物质的能力，这表明尽管所有菌落都以相同的方式开始，在相同的条件下维持并暴露于完全相同的压力下，但发展出代谢新营养物质的能力并非必然。但更令人震惊的是，当他们重演那个菌落的历史时，他们发现它也并非总是发展出这种能力。事实上，当从第一代到第 19,999 代的任何时间重演时，都没有成功。大约在第 20,000 代发生的某种变化——在它们能够代谢新营养物质之前很久的 11,500 代——必须到位，以便菌落稍后获得其有利的能力。
这有两个原因。第一个原因是突变本身是随机的，并且相同突变以相同顺序发生的几率很小。但我们无法预测进化的另一个原因是：基因改变不必“良好”（从选择的角度来看）才能持续存在，因为选择并不是唯一发挥作用的进化机制。是的，选择是一个重要的机制，但在没有选择的情况下，群体中给定突变的频率也可能发生变化。当事件无缘无故地改变种群中的基因频率时，就会发生遗传漂变。例如，一场巨大的飓风恰好消灭了绝大多数蜥蜴，留下了一只颜色怪异的雄性蜥蜴与所有雌性蜥蜴交配。后来，这种颜色最终可能是一件好事，并使蜥蜴能够融入新的栖息地，或者它可能使它们更容易受到捕食者的攻击。遗传漂变一点也不在意。
每一次突变都是一场赌博。即使是最小的突变——单个核苷酸的变化，称为点突变——也很重要。它们可能导致人类患上可怕的疾病，如镰状细胞贫血症和囊性纤维化。当然，点突变也导致细菌产生抗生素耐药性。
机遇的作用对我们这个物种意味着什么？嗯，这与我们适应变化世界的能力有关。由于我们无法强迫我们的身体突变出有益的适应性（无论漫威怎么告诉你），我们依靠机遇来帮助我们的物种继续进化。请相信我，我们作为一个物种需要继续进化。我们的身体储存脂肪，因为在过去，食物是零星的，储存脂肪是应对饥饿期的最佳解决方案。但是现在，这种特性导致了肥胖症的流行，以及相关的疾病，如糖尿病。随着疾病的进化，我们的治疗方法也失效，使我们容易遭受像黑死病规模的大规模伤亡。如果随机突变无法解决我们快速变化的环境带来的问题，我们很可能正处于人类时代结束的边缘。当其他物种灭绝时，人类将继续统治、繁殖和存活下去的可能性有多大？嗯，就像任何机遇游戏一样，你必须看看赔率
曾经存在过的所有物种中，有 99.99% 已经灭绝。
但话说回来——也许我们这个物种感觉很幸运。
* 如果你想了解更多细节，实际上，突变并非完全随机。它们也受自然规律支配——例如，我们的机制更有可能将腺嘌呤替换为鸟嘌呤，而不是胸腺嘧啶。某些部分更可能被转座子入侵……等等。但从选择的角度来看，这些变化是随机的——也就是说，突变的潜在选择优势或劣势对它发生的可能性没有影响。
参考文献
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