问题

如果进化是基因突变和自然选择的结果,为什么会出现大量统一性的结果?举例见补充

回答
这确实是一个非常精妙的问题,也是很多人在理解进化论时会遇到的困惑。一方面,我们知道进化是基于随机的基因突变和不那么随机的自然选择,听起来似乎应该导致千差万别的结果;另一方面,我们又观察到生物界存在惊人的统一性,这到底是怎么回事呢?

要回答这个问题,我们需要深入理解“基因突变”和“自然选择”这两个核心机制,以及它们如何在大尺度上塑造生命。

一、 理解基因突变:创新的源泉,但并非万能

首先,我们得明白基因突变是怎么回事。基因是DNA的片段,携带了我们身体运作的指令。突变就是DNA序列发生的随机改变,就像一份写好的说明书里,某个字母错写了、漏了或者多了一个。这些改变可以是微小的,比如一个碱基对的替换,也可以是更显著的,比如一个基因的复制、缺失或重排。

重要的是,突变是随机发生的,它的发生并不“预知”生物体的需求。 一个生物体需要某种能力,突变不一定会朝着这个方向发生。它可能产生一个对生物有害的突变,也可能产生一个中性突变(对生物体没有明显影响),当然,少数情况下,它也可能产生一个有益的突变。

那么,如果突变是随机的,怎么会产生统一性呢?这里有几个关键点:

突变的发生率: 虽然突变率很高,但相对于庞大的基因组和无数的生命个体来说,每次突变都是一个相对独立的事件。在一个特定基因组中,同一个突变同时以极高的概率在多个个体身上发生的情况并不多见。然而,如果一个突变有显著的优势,它就可能在群体中传播开来。
并非所有突变都“有用”: 大部分突变是中性的或者有害的。有害的突变会因为自然选择而被淘汰。有益的突变则有机会被保留和传播。
“解决方案”并非只有一种: 即使生物体面临相同的环境压力,也可能存在多种不同的基因突变组合能够适应这种压力。例如,在寒冷环境下生存,有的物种可以通过长毛来保暖,有的可以通过冬眠来度过严寒。

二、 理解自然选择:筛选器,而非创造者

自然选择是进化论的另一个基石。它指的是,在特定的环境中,那些拥有更有利于生存和繁殖的性状的个体,更有可能将自己的基因传递给下一代。这就像一个“筛选器”,不断地从中性或有害的变异中剔除不适应者,而保留并放大那些有利于适应环境的变异。

为什么自然选择会导向统一性?这里是关键所在:

环境的同质性(或相似性): 如果不同的生物群体面临的是相似的环境压力,那么最能适应这些压力的性状,无论最初是如何通过突变产生的,最终都可能成为优势性状,并在该群体中扩散。
举个例子: 假设一种生活在黑暗洞穴里的鱼。它们生存的挑战是:在黑暗中找到食物、躲避捕食者、以及在有限的资源下繁殖。
眼睛的退化: 在完全黑暗的环境中,拥有大而明亮的眼睛可能反而会消耗更多的能量,甚至更容易受到损伤。那些突变导致眼睛退化、或者视力不佳的个体,反而可能因为节省能量而更具生存优势,并且不影响它们在黑暗中依靠其他感官(如触觉或嗅觉)来导航和捕食。因此,自然选择会倾向于淘汰视力“正常”的个体,而保留视力退化的个体。如果这个环境压力(黑暗)是普遍存在的,那么在不同的洞穴系统中独立进化的鱼类,很可能都会朝着眼睛退化的方向演化。
味觉/嗅觉的增强: 相反,那些拥有更灵敏的味觉或嗅觉的个体,更容易找到食物,也更容易感应到捕食者的存在,从而提高生存和繁殖的机会。因此,自然选择也会偏爱拥有更发达这些感官的个体。
结论: 在相似的环境压力下,即使最初的突变是随机的,自然选择也会“选择”出那些最能解决特定问题的解决方案,而这些解决方案可能恰好是相似的,比如在黑暗中,眼睛退化和依赖化学感应就是高效的解决方案。

同源性与保守性: 生物体的许多基本生命过程和细胞结构是高度保守的,这是因为它们在漫长的进化过程中已经得到了高度优化,并且对生存至关重要。例如,细胞呼吸、DNA复制、蛋白质合成等基本生命机制。这些机制的有效性已经被反复验证,任何对它们的大幅度、破坏性的突变都很可能导致个体死亡。
举例: 细胞内的线粒体是能量生产的“发电厂”,这个基本功能在几乎所有真核生物中都非常相似。虽然线粒体本身也经历了进化,但其核心的能量代谢通路(如三羧酸循环、电子传递链)在所有生物中都高度统一。这意味着,那些能导致线粒体功能完全失效的突变,几乎不可能被自然选择保留下来。相反,一些微小的、优化性的突变可能会被保留,但整体的“发电厂”架构是高度统一的。
基因的功能: 许多核心的“管理”基因(如控制细胞生长、分化、发育的基因)也是高度保守的。例如,控制胚胎发育关键阶段的基因,如Hox基因,在从蠕虫到人类的多种动物中都发挥着相似的作用,并且序列上也有惊人的相似性。这是因为这些基因在建立身体基本结构方面至关重要,任何大幅度的改变都可能导致致命的发育异常。自然选择会严格地“筛选”掉那些破坏这些关键基因功能的突变。

趋同进化(Convergent Evolution): 这是最直观解释统一性的概念。趋同进化指的是,不相关的物种,由于面临相似的环境压力或适应相似的生活方式,独立进化出了相似的性状。 尽管它们最初的基因突变来源和进化路径可能截然不同,但最终的“解决方案”却高度相似。
例子:
飞行的翅膀: 鸟类、蝙蝠和翼龙(已灭绝的爬行动物)都独立进化出了翅膀,能够飞行。虽然它们的翅膀结构细节(如骨骼构成、羽毛的演化等)有所不同,但它们实现飞行的基本原理和外形上的相似性是非常显著的。这是因为飞行这个功能本身对它们各自的生存环境(例如捕食、躲避捕食者)提供了巨大的优势。自然选择会偏爱那些能够更有效地利用空气动力学原理的结构,从而导向相似的飞行适应。
流线型身体: 许多生活在水中的生物,无论它们是鱼类(如鲨鱼)、哺乳动物(如海豚)还是爬行动物(如鱼龙),都进化出了流线型的身体。这种形状能够最大程度地减少在水中移动时的阻力,提高游泳效率。这种形状并非来源于共同的祖先,而是由于它们都在水中生存,并需要高效移动,所以相似的物理环境压力促使它们独立演化出相似的解决方案。
眼睛: 各种无脊椎动物和脊椎动物都独立进化出了复杂的眼睛,用于感知光线。例如,章鱼的眼睛和脊椎动物的眼睛在结构和功能上非常相似,但它们却不是通过共同的祖先继承的(章鱼属于软体动物,而我们是脊椎动物)。这是因为“看见”这个功能对于许多生物来说都是极其重要的生存优势,独立选择出来的最佳解决方案恰好在结构上趋于一致。

三、 总结:随机的起点,但导向相似的“最优解”

所以,尽管进化始于随机的基因突变,但自然选择扮演着一个极其强大的“理性”筛选器。当生物体面临相似的生存挑战时,那些能够提供“解决之道”的突变,无论来自哪个突变源,都会被优先保留和放大。

相似的环境压力 > 相似的生存挑战 > 相似的“需求” > 自然选择倾向于选择相似的“解决方案” > 表现出统一性。

这就像在无数次尝试中,总有那么几把钥匙能够打开同一把锁,而自然选择做的就是不断地尝试和筛选,最终让这些“能打开锁的钥匙”(即适应性突变)在群体中流行开来。当不同的群体面对相似的锁时,他们最终可能会找到相似的钥匙。

所以,我们看到的统一性,并非是因为突变是“有目的”地产生特定结果,而是因为自然选择在面对相似的“问题”(环境压力)时,倾向于找到和保留相似的“答案”(适应性性状),即使这些答案最初是由完全不同的随机突变组合产生的。这是一种“殊途同归”的现象,也是大自然令人惊叹的智慧体现。

网友意见

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我觉得生物进化的理论要结合起来考虑,达尔文主义的自然选择,新达尔文主义的基因突变,反达尔文主义的中性随机基因突变以及拉玛克的用尽废退。当然这未免有点到那个山拜那个庙的意思。

长颈鹿是用尽废退的经典举例。脖子用得越多就趋向于越长,长脖子的鹿就活得下来。至于为什么不发展成长腿,我想对于鹿来说伸脖子比跳起来或者长个子要靠谱吧。其实长颈鹿的腿已经够长了,在进化的过程中腿已经起到了一定因素。相反,如果是超长的腿和正常比例的脖子,长颈鹿将行动困难,难以保持平衡吧。

至于手指的事情。自然界中左右对称的动物占到绝大多数,单数个的不对称会带来很大的麻烦,比如如何保持平衡,如何确定视野等等。所有动物的行为模式都保持在控制左右平衡上。犀牛是拥有奇数个器官的特例。它的单角给视力造成极大影响,但其之所以能够存活是因为全身有坚硬的皮甲。所以人类如果并不是拥有10个手指的话,也多半是拥有双数个手指。至于六指,是一种常色体遗传疾病,有显性隐性之分,属于基因突变,一些人多出来的手指是拥有正常的骨头结构的。在多余的指头不能够带来进化上的好处的时候,这一部分的基因将会受到压制。所以十个手指头的人在现在这一阶段会更多。其实你就想一想,12个或者20个手指是不是有必要,2个脑袋或者4个耳朵会不会有优势。如果在现在的环境中没有必要没有优势的,就不会存在。

与此同时,人类的基因组遗传信息将保证下一代的性状稳定在一个值内。这一点包括绝大多数的生物。说实话,如果几百万年过去了,生物还没办法稳定下一代的形状,那早就灭绝了。

至于最后一个问题是很有意思的一点,涉及人类文明的演化。

在人类进行农业活动后,人工驯化成为了自然选择的一部分,而且所占有的比重越来越高。举例说明:最早被人类驯化的动物被认为是牛或者猪。这两种动物的原生状态都是相当凶猛的。但是在人类驯化之后,出现了肉猪,奶牛,宠物猪,肉牛等等有各种特性的亚种供人类使用。所以在很大一部分程度上,动物和植物是在进化中适应人类环境。理论上来说,每种现存的生物都有其生存方式和手段。动物不存在是否弱势只说,只要其能活下去,能繁殖,下一代也能活下去能繁殖,并且能够保持种群不灭绝,意义就达到了。至于近代很多动物之所以灭绝,并不是他们不能适应自然环境改变,而是不能适应人类环境的影响。

至于食物链,举个弱势的例子,鱼。人类过渡捕捞,使鱼群数量锐减。为了继续繁殖,他们就会有更小的体型来套过渔网,更早的成熟期来进行繁殖。但总有一天鱼类可能会小到无法性成熟而灭绝,所以人类要设立禁渔期,增大渔网的孔眼,在保持生态环境的同时保护人类的利益。

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