專家答疑

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如果物種的整個基因組發生隨機突變,像眼睛這樣複雜的器官是如何進化而來的? —V. 勞滕巴赫,倫敦

猶他大學生物學教授喬恩·西格爾解釋道

雖然如此複雜和有用的器官不太可能從隨機的遺傳意外中自發產生,但眼睛可以透過突變和選擇之間持續不斷的相互作用輕鬆進化,這種相互作用驅動著其他適應性的進化。


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在一個種群中,每個個體突變在首次發生時都極其罕見;通常在一個物種的整個基因庫中只存在一個副本。但是,每一代物種作為一個整體都可能發生大量的突變。其中一些突變是如此有害,以至於在它們的攜帶者出生之前就被淘汰了。但是,絕大多數突變是無害的,或者至少是可以容忍的,而且極少數實際上是有幫助的。這些倖存的突變作為極其罕見的基因變異版本進入種群。

大多數突變隨後僅僅因為它們稀有而丟失;然而,對生存和繁殖的非常小的影響可能會顯著影響不同突變在特定基因和基因內特定位點積累的長期速率。由此產生的進化變化模式看起來是非隨機的,事實上,確實是非隨機的:有些位點幾乎從不改變,有些位點偶爾改變,而另一些位點則相對頻繁地改變。

然而,這並不意味著突變本身是非隨機發生的。事後看來,就好像突變發生在需要的地方,但表象可能是具有欺騙性的,而選擇是一個偉大的幻術師。實際上,它們只是在需要的地方積累起來——先是一個,然後又一個,再一個,經過許多代。雖然在同一個基因組中將兩個或多個新的“合作”突變結合在一起可能需要時間,但如果它們沒有從種群中丟失,它們最終會在有性物種中找到彼此。

像人類這樣以視覺為導向的脊椎動物擁有令人驚歎的複雜眼睛,但即使在脊椎動物內部,該器官的大多數方面也存在很大差異,並且在整個動物界中出現了幾種根本不同的設計。這種多樣性透過活生生的例子展示了簡單的、非聚焦的光感測器如何逐步完善和改進,成為我們今天所知的複雜、精密的成像眼睛。

對於需要有關其環境快速變化方面資訊的生物體來說,一個粗糙的光感器官可能比沒有要好得多。給定這樣一個原始的眼睛,可能有數千種不同的突變會在各個方面略微改善其功能。當發生這樣一種突變,幸運地沒有立即丟失,然後在自然選擇的力量下頻率上升時,它就為其他突變奠定了基礎。如果有足夠的時間和持續的選擇,這個過程將很容易改善眼睛的功能,通常是透過使其更復雜。

為什麼鸚鵡有模仿能力? —H. 梅辛,馬薩諸塞州韋斯特伍德

萊斯利大學的鳥類生物學家邁克爾·辛德林格他是網站www.freeparrots.net的維護者,回覆道:

鸚鵡最有可能出於物種間似乎不同的原因進行模仿。在某些情況下,從這種模仿中產生的區域方言可能有助於來自相似區域的雄性和雌性找到——或者可能避免——彼此。同樣,某些物種的歌曲學習使領地鄰居能夠互相認識,並有助於區分漂泊者。一項關於澳大利亞小型鸚鵡——虎皮鸚鵡的研究報告稱,它們似乎使用叫聲相似性來判斷配偶。

模仿性聲音學習也是潛在配偶或盟友可能考慮的神經功能的可靠展示,包括聽力、記憶力和聲音產生的肌肉控制。

對野生鸚鵡種群的地理方言進行的回放研究表明,鳥類對其當地語言的反應更強烈。這種現象暗示了模仿的另一個重要好處:透過產生聽者已經有記憶的聲音,或所謂的神經模板,來更好地引起潛在聽者的注意。這種預先形成的感知模板的存在使另一隻鸚鵡的發聲更容易在嘈雜的環境中被感知。

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大眾科學 Magazine Vol 298 Issue 3本文最初以“專家答疑”為標題發表於《大眾科學》雜誌 第298卷第3期(),第102頁
doi:10.1038/scientificamerican0308-102
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