如果突變隨機發生在物種基因組的整個序列中,那麼像眼睛這樣複雜的器官是如何進化的?所有指導該器官發育的突變是如何集中在正確的位置的?

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猶他大學的生物學家喬恩·西格幫助我們理解進化的隨機性(以及非隨機性)。

回顧物種基因組的歷史,突變似乎確實會被某些基因組位置吸引(同樣也會被其他位置排斥)。但表象可能具有欺騙性,而選擇是一個偉大的魔術師。最初隨機發生的突變最終可能看起來以高度非隨機的模式“定向”,因為發生的大多數突變會很快從種群中消失,通常僅在一代內就會消失。相對來說,沒有消失的少數突變是對進化變化有貢獻的突變。

在一個種群中,每個單獨的突變在首次發生時都非常罕見;通常,在整個物種的基因庫中只有一個副本。但是,每一代都可能有大量的突變發生在整個物種中。目前,人類物種的數量超過 60 億,如此龐大的數量意味著基因組中 30 億個鹼基對的每個鹼基對在每一代都會在種群中的某個地方發生數次突變。其中一些突變非常有害,以至於它們的攜帶者甚至在出生前就被淘汰了。但是,絕大多數突變是無害的(或至少是可容忍的),只有極少數突變實際上是有益的。這些突變以極其罕見的替代版本進入種群,出現在它們發生的基因中。


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大多數新突變會因為它們很罕見而丟失(即使它們是有益的);然而,對生存和繁殖的非常小的影響可能會極大地影響不同突變在特定基因和基因內的特定位點積累的長期速率。其結果是一種看起來非隨機且實際上非隨機的進化變化模式:某些位點幾乎從不改變,某些位點偶爾改變,而其他位點則相對頻繁地改變。

但這並不意味著突變本身是非隨機發生的。事後看來,就好像它們發生在需要的地方一樣。但實際上,它們只是在需要的地方積累起來——先是一個,然後是另一個,再一個,經過許多代。在同一個基因組中將兩個或多個有益突變聚集在一起可能需要一段時間,但如果它們沒有從種群中消失,那麼這最終會在有性物種中發生。

有時,回顧過去,生物學家可以推斷出眼睛或其他一些複雜的適應是如何以特定方式(透過特定的進化變化序列)組裝的。這自然而然地引出一個想法,即這種適應必須以特定方式組裝,完全遵循該突變序列。但大量的證據和理論表明,這幾乎永遠不是真的。

一個粗糙且相對無效的光感應器官可能比根本沒有要好得多,並且可能存在數千種不同的突變,這些突變會以不同的方式略微改善其功能。當其中一個突變發生,並且幸運地沒有立即消失,然後在種群中頻率上升時,它就為其他突變奠定了基礎。但是,無法預測哪個突變將是下一個成功突變。

一些近期的人類適應的已知遺傳歷史很好地說明了這一原則。例如,在成年期普遍但不普遍地消化乳糖(乳糖耐受性)的能力最近被證明是由乳糖酶基因中和附近的幾種不同突變引起的。這些突變發生在地理上孤立的種群中,這些種群的祖先是生活在非洲和歐亞大陸不同地區的早期牧民。在這種情況下,與其他情況一樣,在確定眾多可能突變中的哪一個會在給定的時間和地點最終響應召喚的過程中,似乎存在很多隨機性。

也許適應一種新的食物資源(馴養的牛和山羊的奶)是可預測的,但顯然即使在原則上,也無法預測它將如何發生。

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