在德克薩斯州一家圖書館的書架上，放著一本綠色小書，最初出版於150年前，現在被公認為有史以來最重要的科學著作之一。然而，當《物種起源》第一版印刷時，它的未來成功完全不明顯。當查爾斯·達爾文完成他的新著作的校樣時，他列出了一份應該收到樣書的重要同事的簡短名單。然後，他焦急地等待著他那個時代主要思想家的評判。
1859年，英國最著名的在世科學家在他儲存在德克薩斯大學奧斯汀分校的綠色小書的筆記中潦草地寫下了他的反應。在扉頁上標有“作者贈送”字樣，這是達爾文寄給約翰·赫歇爾爵士的樣書，約翰·赫歇爾是達爾文的科學英雄之一，他自己的自然哲學專著首先啟發達爾文成為一名科學家。19世紀30年代，赫歇爾令人難忘地將物種起源描述為“神秘中的神秘”，這可能是透過自然過程發生的。達爾文在該書的第一段引用了赫歇爾的話，這段話闡述了達爾文為赫歇爾和世界提供的“神秘中的神秘”的巧妙解決方案。
達爾文的理論既廣泛又簡單。他提出地球上所有生物都起源於一種或幾種原始形式。他不敢妄稱知道生命本身最初是如何產生的。然而，達爾文認為，一旦生命開始，生物體就會透過一個完全自然的過程開始緩慢地改變和多樣化：所有生物都各不相同；差異是遺傳的。那些具有在他們居住的環境中有利的性狀變異的個體將比具有不利變異的個體更繁榮併產生更多的後代。因此，有利的性狀將透過不可避免的“自然選擇”過程隨著時間的推移而積累。為了讓讀者相信自發變異和差異繁殖的累積力量，達爾文指出了在人類僅幾個世紀的選擇性育種後，家養植物、鴿子和狗的大小和形態發生的巨大變化。
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他的一些科學同事立刻看到了達爾文論點的力量。“我真笨，竟然沒有想到這一點！”托馬斯·亨利·赫胥黎在閱讀完他自己的達爾文著作樣書後驚呼道。不幸的是，達爾文說他“比幾乎任何其他人”更重視其意見的人的反應遠不那麼積極。赫歇爾不相信有用的新性狀和物種可以從簡單的隨機變異中產生，他認為這種想法是“隨意堆砌定律”。在他的《物種起源》個人副本中，赫歇爾專注於“如果想要‘實現’任何事情，‘有利的變異’必須‘發生’”。達爾文實際上對變異性狀本身的起源一無所知，赫歇爾認為，如果達爾文不能解釋變異的來源，他就沒有真正擁有足以解釋物種起源的理論。
自達爾文理論首次問世以來的150年裡，關於性狀如何傳遞給後代以及它們如何經歷進化變化的關鍵問題，已透過對基因和基因組研究的顯著進展得到解決。今天研究進化生物學的達爾文科學後裔至少了解我們周圍動植物美麗多樣性的基本分子基礎。就像達爾文的理論本身一樣，變異的原因通常很簡單，但其影響卻很深遠。恰如其分的是，這些見解是以一系列步驟出現的，其中許多步驟恰好趕上達爾文著作連續的50週年紀念日。
變異揭示
達爾文不僅無法說明變異來自何處，他也沒有解釋這些新性狀如何在後代中傳播。他相信混合遺傳，即後代具有介於父母之間的特徵的想法。但即使是達爾文也認識到這個理論是有問題的，因為如果性狀真的混合了，那麼任何罕見的新變異都會因與不共享該性狀的大量個體進行世代繁殖而被逐漸稀釋。
關於混合遺傳的困惑在1900年被格雷戈爾·孟德爾對豌豆進行的著名育種實驗的重新發現所掃除，這些實驗是在19世紀50年代和60年代進行的。奧地利僧侶花園中的不同豌豆植株表現出明顯的形態差異，例如莖的粗細、種子的皺紋與光滑等等。當對比型別的純合豌豆植株雜交時，後代通常類似於兩個親本之一。然而，透過進一步的雜交，性狀的兩種形式可以在未來的世代中以未稀釋的形式重新出現，這表明替代形式的遺傳資訊沒有混合消失。孟德爾的實驗改變了人們對可遺傳變異的一般看法，從短暫且可混合的實體轉變為從父母傳遞給後代的離散實體，即使它們並不總是可見的，但也存在。
很快，人們饒有興致地發現，孟德爾的“遺傳因子”的遺傳模式與細胞核中染色體的行為相呼應。《物種起源》50週年之際，變異的起源仍然未知，但遺傳資訊正在成為一種物理實體，並且最終可以作為細胞核內的線狀物被看到。到該書出版100週年時，染色體中的遺傳資訊已被追溯到一種叫做脫氧核糖核酸（DNA）的大型酸性聚合物。詹姆斯·D·沃森和弗朗西斯·克里克在1953年提出了DNA分子的結構，這對我們理解遺傳和變異的物理基礎具有驚人的意義。
DNA是長的雙螺旋結構，其骨架由糖和磷酸鹽的重複鏈構成。聚合物的兩條鏈透過四種可能的化學鹼基之間的互補配對而結合在一起：腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤和胸腺嘧啶（A、C、G、T），它們也構成了簡單遺傳語言的基礎。就像英語字母表中的26個字母一樣，DNA字母表中的四個化學字母可以以任何順序沿著螺旋的一條鏈出現，拼寫出從父母傳遞給後代的不同指令。
雙螺旋結構也為複製遺傳資訊提供了清晰的機制。C總是與G配對，A與T在DNA分子的中間配對，這些親和力由相應化學基團的互補大小、形狀和結合特性決定。當DNA螺旋的兩條鏈分離時，每條鏈中的字母序列因此可以用作模板來重建另一條鏈。
沃森和克里克的DNA結構立即暗示了自發變異的可能物理基礎。在細胞分裂之前，DNA分子的物理損傷或複製錯誤可能會改變其正常的字母序列。突變可以採取許多不同的形式：在聚合物的特定位置將一個字母替換為另一個字母，刪除字母塊，複製或插入新字母，或倒置和易位已存在的字母。在提出該結構時，這些變化仍然是理論上的。但是，隨著達爾文著名著作150週年紀念日的臨近，大規模測序方法使得讀取整個基因組並以前所未有的細節研究遺傳變異（他提出的進化過程的原始材料）成為可能。
透過對各種生物及其後代進行測序，然後尋找從世代傳遞到世代的DNA長鏈中發生的任何自發變化，科學家們清楚地表明，這種突變確實相當有規律地發生。（當然，只有發生在生殖細胞中的突變才會傳遞給後代，因此才能以這種方式檢測到。）不同物種的絕對突變率有所不同，但對於單個鹼基對替換，通常平均為每核苷酸每代10-8。這個頻率聽起來可能很低，但許多動植物的基因組都非常龐大。在基因組中具有1億甚至100億個鹼基對的多細胞動物中，每次遺傳資訊傳遞下來時，都可能發生一些自發的單鹼基對變化。
基於DNA鹼基的化學穩定性和結構特性，特定型別的替換比其他型別的替換更可能發生。此外，某些型別的較大序列變化比單鹼基對替換的總體平均速率發生得更頻繁。例如，DNA中具有連續八個或更多個相同字母的片段，稱為同聚物，在DNA複製過程中非常容易發生複製錯誤。微衛星區域也是如此，微衛星區域由兩個、三個或更多個核苷酸的序列重複組成。
所有這些基因組內的自發變化加起來形成了大量的多樣性，即使在同一個物種內也是如此，包括我們自己。在一個歷史性的里程碑中，整個人類基因組的三十億個鹼基對的參考序列於2003年完成，四年後，沃森的幾乎完整的個人基因組被公佈，使得比較兩個人的人類序列以及Celera創始人克雷格·文特的基因組序列成為可能，後者的基因組序列也已公開。對這三個序列的並排比較提供了幾個有趣的啟示。
首先，每個人的基因組與參考序列的差異約為330萬個單鹼基對變化，這相當於平均每1000個鹼基中就有一個變異。儘管較大DNA片段和整個基因的缺失和插入不如單鹼基對變化頻繁（每個基因組幾十萬次事件而不是幾百萬次事件），但這些事件佔基因組之間差異的總鹼基的大部分，最多影響1500萬個鹼基對。最近還發現，許多完整的基因組區域在個體之間以不同的複製數存在，這反映了基因組結構變異的一個未被重視的水平，科學家們才剛剛開始探索其影響。最後，當比較完整的人類基因組時，看到的序列變化會改變蛋白質編碼或調控資訊或所有23000個人類基因的複製數中的很大一部分，從而為許多人之間性狀差異的可能變異提供了豐富的來源。
性狀的分子基礎
赫歇爾想要一個關於變異如何以及為何產生的答案，然後他才能接受達爾文的理論，即自然選擇作用於這些性狀，透過完全自然的過程產生新的生物形式。今天，科學家們知道DNA的自發變化是變異的簡單“原因”，但這些突變如何轉化為性狀差異的“方式”的答案更為複雜，並且構成了一個活躍的研究領域，其意義遠遠超出進化研究。
生物學家現在通常可以將植物和動物的經典形態和生理性狀與DNA雙螺旋原子中的特定變化聯絡起來。例如，他們知道孟德爾的高莖豌豆和矮莖豌豆在一個用於赤黴素氧化酶的基因中存在單個G到A的替換。所謂的基因的矮變異改變了酶中的單個氨基酸，這降低了酶活性，並導致豌豆植株莖中生長刺激激素的產生量下降95％。
相比之下，孟德爾的皺縮種子性狀是由於在一個與澱粉相關的酶的基因中插入了一個800個鹼基對的序列。插入的序列干擾了酶的產生，減少了澱粉的合成，併產生了糖和水分含量的變化，從而導致種子更甜但皺縮。插入的序列也出現在豌豆基因組中的多個其他位置，並且它具有轉座元件的所有特徵——一段可以從基因組中的一個位置移動到另一個位置的DNA程式碼塊。基因組內這種“跳躍”元件可能是新的遺傳變異的又一個常見來源——既可以透過使基因失活，也可以透過建立新的調控序列來改變基因活性模式。
進化生物學家可以對變異的性質做出為數不多的概括之一是，通常無法僅透過觀察來判斷性狀變異的潛在遺傳來源。例如，達爾文廣泛撰寫了關於鴿子、狗和其他家養動物中存在的顯著形態差異。今天我們知道，家養動物中有趣的性狀是基於許多不同型別的DNA序列變化。
例如，拉布拉多犬黑色和黃色之間的差異源於單個鹼基變化，該變化使黃色狗的色素細胞中的訊號受體失活。惠位元犬肌肉尺寸的增加和賽跑效能的提高也已追溯到單個鹼基對變化，該變化使通常抑制肌肉生長的訊號失活。相比之下，羅德西亞脊背犬特殊的背部毛髮條紋來自包含三個基因的133,000個鹼基對區域的重複，這三個基因編碼成纖維細胞生長因子，從而增強了生長因子的產生。
現代達爾文和進化理論的批評者經常認為，個體之間諸如此類的小差異可能是由自然過程產生的，但物種之間較大的結構差異不可能這樣做。然而，許多小的變化可以累積成大的變化。此外，某些基因對胚胎髮育期間的細胞增殖和細胞分化具有強大的影響，這些控制基因的變化會導致身體部位的大小、形狀和數量發生顯著變化。進化生物學的一個專門領域，即進化發育生物學（evo-devo），專注於研究重要發育基因變化的影響及其在進化中的作用。
現代玉米植物說明了此類基因的強大影響力，現代玉米植物看起來與中美洲稱為類蜀黍的野生雜草祖先完全不同。玉米和類蜀黍之間許多主要的結構差異都對映到少數幾個關鍵染色體區域。控制植物莖發育過程中細胞分裂模式的單個基因的調控區域的突變解釋了整體灌木形狀和單箇中央莖之間的大部分差異。在種子發育過程中活躍的第二個基因的變化有助於將類蜀黍的堅硬的礦物質包裹的種子轉化為玉米的更柔軟、更裸露的籽粒。當然，古代中美洲農民在對DNA、遺傳學或發育一無所知的情況下，從類蜀黍培育出了玉米。但是，透過與具有理想特性的植物交配，他們不知不覺地選擇了關鍵發育控制基因中的自發變異，從而在相對較少的步驟中將灌木狀雜草變成了外觀完全不同的植物，這對人類農業很有用。
類似的原理是野生刺魚種群中新的身體形態進化的基礎。當最後一個冰河時代在10000年前結束時，海洋魚類的遷徙種群在北美、歐洲和亞洲無數新形成的湖泊和溪流中定居。此後，這些種群已經經歷了大約10000代來適應淡水環境中發現的新食物來源、新捕食者以及新的水色、溫度和鹽濃度。如今，許多淡水刺魚物種表現出比不同屬魚類之間更大的結構差異，包括骨板數量或大小的30倍變化、整個鰭的存在或缺失以及下巴和身體形狀、牙齒結構、防禦性刺和體色的重大變化。
正如玉米一樣，最近的遺傳研究表明，一些大的形態變化可以對映到少數幾個重要的染色體區域。這些區域內的關鍵基因原來編碼發育的中心調控因子。它們包括控制許多不同表面結構形成的訊號分子、另一個啟動涉及肢體發育的其他基因組的分子以及分泌的幹細胞因子，該因子控制胚胎髮育過程中前體細胞的遷移和增殖。
新刺魚多樣化形態的總體進化顯然涉及多個基因，但在獨立的種群中已經反覆看到特定發育調控因子中的一些相同變異。因此，這些魚類對其各自環境的適應很好地證明了隨機變異如何產生生物體之間的重大差異，如果這些變化賦予優勢，自然選擇將一次又一次地保留它們。
原子的偶然結合
人類也可以照鏡子，看到自然選擇保留的相對較新的變異的更多例子。我們在世界各地不同的環境中以各種顏色出現，最近發現，在北緯地區種群中發現的較淺膚色是幾種遺傳變化的綜合影響造成的，包括在色素細胞中活躍的訊號受體和轉運蛋白基因中的單鹼基突變。還懷疑存在調節新生色素細胞遷移、增殖和存活的其他DNA變化。
兩個色素基因側翼的DNA區域中相對缺乏變異表明，淺膚色變異最初是罕見的，可能起源於少數人。隨著古代人類遷移到溫度較低、緯度較高的新環境，淺膚色更容易從有限的陽光中產生維生素D，這些變異的頻率會迅速增加。
同樣，在控制消化乳糖（牛奶中的主要糖）能力的基因周圍發現了強烈的分子“選擇訊號”。人類是哺乳動物，哺乳幼崽併產生一種腸道酶，將乳糖分解為更簡單的糖類葡萄糖和半乳糖。人類也是哺乳動物中獨一無二的，他們繼續使用其他動物的奶作為兒童期以後的重要營養來源。這種文化創新已在歐洲、非洲和中東的群體中獨立發生，他們使用來自牛、山羊和駱駝的奶。
成年後消化牛奶的能力取決於腸道乳糖酶基因的突變形式，在大多數哺乳動物和大多數人類群體中，該基因僅在嬰兒哺乳期活躍。然而，在具有悠久乳製品畜牧歷史的人類群體中，乳糖酶基因的突變形式在成年後繼續活躍。這種遺傳創新與控制該基因的調控DNA區域中的單鹼基對變化有關，但不同的乳糖耐受群體在該關鍵區域具有不同的突變——這是透過影響一個基因的獨立變化反覆進化出相似性狀的 striking example。
人類近期營養相關適應的另一個例子涉及完整基因的倍增。雖然黑猩猩只有一個唾液澱粉酶基因的複製，唾液澱粉酶是一種消化食物中澱粉的酶，但人類攜帶的澱粉酶基因複製數顯示出顯著差異。在某些個體中，該基因的重複已在單條染色體上產生了多達10個複製。與依賴狩獵和捕魚的文化中的人相比，飲食中富含澱粉的文化（如大米）中的人具有更高的平均澱粉酶基因複製數和更高的唾液澱粉酶酶水平。
乳製品畜牧業和農業都起源於過去10000年。儘管這僅相當於大約400代人類，但新的主要營養來源顯然已經導致利用這些食物來源的種群中積累了新的遺傳變異。
赫歇爾對達爾文理論最持久的反對意見是他認為有用的新性狀永遠不會從簡單的隨機變異中出現。在已發表的評論和信件中，他認為這些特徵總是需要“思想、計劃、設計，以明確且顯而易見地排除對該主題的隨意看法和原子的偶然結合”。赫歇爾正確地指出，變異的起源在1859年仍然是一個謎。然而，經過150年的額外研究，我們現在可以編目每次複雜基因組從父母傳遞給後代時發生的各種自發DNA序列變異。
在這些變化中，只有極小一部分可能改善而不是降解原始遺傳資訊和由此產生的性狀。然而，更甜的豌豆、更大的肌肉、更快的跑步能力或提高消化新食物的能力都源於豌豆、狗和人類DNA序列中簡單的原子新排列。因此，“原子的偶然結合”顯然可以產生有趣的新性狀。而生物體固有的變異性繼續提供原始材料，透過這種原始材料，用達爾文在他綠色小書結尾處的名言來說，“最美麗和最奇妙的無盡形態，已經進化出來，並且正在進化中。”
注：本文最初印刷時的標題為“從原子到性狀”。