【帝王蛇蜥】生物为什么会进化的形态各异，DNA的随机变化是如何随心所欲的？

没有腿的脆皮蛇蜥蜴蜿蜒穿过草丛时，你完全看不出它和蛇有什么不同。(阿尔伯特爱因斯坦，《北方专家》前情提要)。

可是，如果你惊动了它，它就会展现出蛇所没有的技艺：扔掉自己的尾巴逃之夭夭，而且被它扔掉的尾巴仍然在原地扭动。

脆蛇蜥可不是只有这点儿绝活。如果仔细观察，你会发现它的咽喉不能弯曲，眼皮能动，耳朵可以张开——这些特征是蜥蜴特有的。这样看来，这种特别的生物无法归属于我们熟悉的任何一个类别。

生命的形式逾百万，形形色色，乱七八糟，要想理出个头绪来，就得先把它们放入我们称之为物种的框架里去。依据腿爪、咽喉或者耳朵这些外形特征将它们归入各个物种是不是更易于操作呢？在查尔斯·达尔文之前的大约一个世纪里，生物分类学家卡尔·林奈就是这么干的，他奠定了现代对不同生命形式的分类框架；古生物学家乔治·居维叶也是这样做的，他还将化石做了分类。

要想分类，首先就得比较。通过比较，我们发现鸟类的腿和狮子的腿如此相似，玫瑰和万寿菊的花也极其相似，给我们留下了深刻的印象。依据这些相似性，达尔文提出了所有生命都属于一个大家庭的观点。

然而，像居维叶这样的科学家却不愿意接受生物链进化的观念，因为他从化石中看到了巨大的差距。1827年，他这样写道：“如果物种是逐渐变化的，那么我们应该看到这些变化留下的痕迹。”如果当初他看到了我们现在所知的中间阶段，也许他会有不同的见解。

可是，也许他不会，因为不愿接受进化学说的原因远远不止是知识不全面那么简单。事实上，我们可以一路追溯到柏拉图，他的影响很大，20世纪的思想家阿尔弗莱德·诺思·怀特海把整个欧洲哲学都算作他的论著的“系列脚注”之一。

在柏拉图看来，可感知的物质世界是一种更高现实隐约可见的影子，真正重要的是抽象概念的领域。在追随柏拉图的人看来，足球、高尔夫以及乒乓球的实质是其球的形状。这种纯粹的、抽象的、不变的实质是真实，而球这种物体本身则不是，因为球的存在就像影子一样，转瞬即逝。

分类学家的任务可能会令人望而却步。但是，以每个物种特有的柏拉图所说的实质进行区分，事情还是能够办得到的。比如说，无腿的身躯和可弯的咽喉是蛇区别于其他爬行动物的实质。所以，找到一个物种的实质是关键。

存在问题的是脆蛇蜥。此外，不易归类的生物还有几百种，比如说晚白垩纪的真足蛇，它有残余的后腿。在不断变化的达尔文世界里，转眼间就会冒出新的物种，其特征往往相互重叠。20世纪的生物学家恩斯特·迈尔称柏拉图为“进化学说伟大的反主角”，实际上，正是迈尔用一种现代生物学的方法替代了物种的实质的概念，即基于同一种群中能够交配的个体的方法。

但很可能还是柏拉图的思想说了算，这在以前发生过很多次。我们需要抛却生物瞬息万变的外貌特征，往更深层次探寻。

脆蛇蜥本身由几十亿个细胞构成，每个细胞里有成千上万种蛋白质——由20种不同氨基酸组成的长长的绳索状分子。每个蛋白质都有一种独特的能力，它可以促成化学反应，或防止细胞崩溃，或感知营养，或从其他细胞接收信号等等。每一种本领都是一项创新，从实质上讲，这是一种有用的新特征，自数百万年前产生以来，它一直起着生死攸关的确定作用。

DNA的随机变化是如何带来创新的？达尔文的自然选择概念对理解进化虽然起着关键作用，但在这里也派不上多大用场。问题是，自然选择只能扩散已有的创新。植物学家雨果·德·弗里斯在1905年说得最为经典：“自然选择有可能解释适者生存，但不能说明最适者的产生。”（在半个世纪之前达尔文就已经承认，承认变化随机相当于承认我们不知道这些变化从何而来，只不过换了一种说法而已。）

用一个比喻也许能够更好地说明问题。试想有一个巨大的图书馆，馆存图书以26个字母所有可能的组合顺序排列。这个图书馆大得无法想象，而且大多数文本是纯粹的胡说八道。但是，在这些随意排列的字母组合里总会星星点点地有一些可理解的地方，还有一些包含着真实的或虚幻的故事，不但有狄更斯的《雾都孤儿》和歌德的《浮士德》，还有其他各种各样的小说和戏剧、每个人的传记、真实的和编造的世界历史、编造的想象世界史等等，无法穷尽。有些文本里包含着无数的技术创新，从车轮到蒸汽机到晶体管，还有无数现在无法想象得到的技术创新。但是，要找到这么一卷有价值的图书，其概率是极小的。

在巨大的目录里，进化是找不到其所需的化学物质的。在如此巨大的书堆里，它只能一步一步缓慢地往前挪动。

蛋白质就是这个图书馆里的一本书，用20个字母的氨基酸写成。虽然蛋白质的文本不可能有托尔斯泰的《战争与和平》那么长，但是它的数量大得惊人。比如说，每一串500个字母长度的氨基酸里藏有10600个文本，远远大于可见宇宙中的原子数量。

这个图书馆是一个可能世界的巨大空间，对所有蛋白质都进行了对生命来说非常重要的编码。这就是关键：进化不只是在巨大的目录中查找所需的化学物质，它得在这一排一排的书阵里一步挨着一步艰难地向前挪动。试想有这么一批浏览者，各自代表一个家族，必须盲目地探索这个图书馆，跟着感觉一步一步地走。这听起来好像圣诞速配游戏，但其中有着可怕的扭曲——突变会将血红蛋白这样的关键蛋白置于死地，这个血统命运不济，最终灭绝。

所以，关键是要找到管用的文本。大自然已经发现了数百万册，人类工程师发现了更多，而且发现的速度未见减缓。如果想欣赏这个图书馆里隐藏的创新奇迹，我们没必要走得太远，可以从自己周围令人眼花缭乱的、形形色色的生物体开始。进化的宏大史诗会随着在这个图书馆中的搜寻而逐步展开。

在这个图书馆里，如果你想找到某种具体科目的文本但是又没有目录，你会晕头转向，更有甚者会一步踩错，不久命终黄泉。然而，生命不仅幸存了下来，还在这里发现了无数有意义的新文本。为了理解这一点，我们首先得建立进化缺少的这个目录。这就要求我们搞清楚这个图书馆的组织机构图，理解如何搜索创新的条目。

试想我们从任何一个有意义的文本起步到一个邻居，然后从那个邻居再到另一个邻居，一直走下去，直到穿越大半个图书馆，改变多数字母但仍然保留该文本的意义不变（也就是说蛋白的功能不变）。然后，我们从第一个文本开始改变一下方向，改变一个字母，然后另一个字母，一直下去，一直走完整个图书馆，但不改变该文本的意义。再想想看，这个旅程的起步不止一种，可以有上百种，每一种都只是对字母不同的同义文本进行编码。大自然的图书馆就是这样，里面充满了各种不规则的同义文本，我称其为基因型网络，每个网络对其分子及生化功能进行编码。

如果你想建立这样一个人类的图书馆，会有人说你疯了。不只是所有讨论晶体管的图书遍布整个图书馆，还会有无数个文本以不同的方式说明如何建造相同的晶体管。而我们熟悉的常规图书馆会把技术手册集中在一个区，把达尔文的著作放在另一个区，托尔斯泰的小说则放在另外一个地方。因此，我们可以把感兴趣的排成一条直线。但是，由于基因突变的每一步都很随意，所以无法走出一条直线来，最终得到的就是不规则的基因型网络。

发生在某些个体身上的DNA随机变化会禁止血红蛋白这样的关键蛋白，从而导致个体死亡；但是由于基因型网络的存在，其他突变可以生成同义文本，保存这个蛋白的功能，拯救这个有机体。这种突变和自然选择的循环周期在志愿者的后代身上不断重复，有些会死去，但是有些会活下来，而且还会更进一步，生存的人口渐渐扩散到整个图书馆。这个过程需要许多代才能展开。

蜥蜴类的输氧蛋白可以说明这样的探索需要费多大功夫。它们同属一个存在于10亿多年以前但如今早被遗忘的单个遗传蛋白。至今，它们不仅存在于整个动物世界，也存在于植物王国，在整个图书馆里，它们的足迹到处可见。然而，它们表达的还是相同的化学功能：结合氧。

但是，它们的氨基酸文本已经变得面目全非。今天的血红蛋白在其大约100个氨基酸当中共享的字母仅仅占4%，就好像是用无数不同的方式写了一首表达相同意思和感情的诗，而且还有许多类似的其他分子诗歌。这些蛋白帮忙从营养中提取能量，在我们的细胞之间进行交流，感知我们周围的世界……

不同寻常的是，以这么多的方式说同样的事就意味着会有更多的口误，而且随着每一次口误也会产生不同含义的可能。正如在“mold”里改变一个字母就能得到“gold”一样，一个文本的某些邻居会表达新的意义。当浏览者翻遍原始文本的每个同义词，就能得到不同的创新。在图书馆里开辟可靠的路径，基因型网络就能获得创新的可能。

让我强烈地表达这一点吧：如果没有同义文本的这些路径，如果没有在持续变化的字母序列中表达完全相同的功能的这些基因组，就不可能通过随机突变不断找到新的创新，进化就行不通。

所以，大自然的图书馆及其蔓生的网络对说明生命的进化能力大有帮助，可它们又是从哪里来的？我们从脆蛇蜥或其解剖中看不出来，在生命外形特征上看不到它，在表面之下、组织和细胞的结构中也看不到，甚至在其DNA的亚微观结构中也看不到。它存在于概念世界里，就是数学家探索的那种抽象概念之中。这样说，难道它不是真实的么？

我们是创造新概念还是发现新概念，这是一个问题，尤其是数学类的概念。这个问题人类已经思考了2500多年，至少从毕达哥拉斯就已经开始。当时，他宣布世间万物都是数字。有些人跟奥地利哲学家路德维希·维特根斯坦一样，相信数学上的真理是人类发明；但是也有人同意柏拉图的观点，认为我们的可见世界是更高真理微弱的影子。在他们中间有许多数学家和物理学家，包括菲尔兹奖（在数学上相当于诺贝尔奖）得主费弗曼。他用数学创新的方式这样表达自己的体验：有一种东西令人敬畏。我们不是在创造，只是在发现一直就有的东西，而这比人类能够做到的任何创造要美得多。

在物理学界，诺贝尔奖得主尤金·魏格纳称其为“不可理喻的数学效力”。的确，我们不清楚为什么牛顿的万有引力定律会比可能激发了它的掉落的苹果具有更大的解释力，为什么万有引力定律可以描述从吸积行星到整个太阳系以及旋转星系的一切。无论如何，现实似乎遵从某些数学公式。

大自然图书馆为已争论数百年的柏拉图理论的现实性问题增添了又一维度。在此之前，这个争论大体上围绕着我们在数学中发现的那类抽象概念。安德里亚斯·瓦格纳，瑞士苏黎世大学进化生物学与环境研究学院和美国新墨西哥州圣达菲学院教授，2014 年出版其新作：《最适于生存者的到来——揭开进化最大的谜团》。随着基因型网络，出现了一种新的要素：实验科学。

万有引力定律并不像是一个你能建造的房子的蓝图，可是血红蛋白文本是那样的蓝图。我们能够制造这种蛋白，能够制造任意一种蛋白，并通过精密的仪器研究其化学意义。加上几千种自然的蛋白质，蛋白质馆里的这些住户比我们的创造更为奇异。

大自然图书馆是达尔文找到的生物创新的源泉。与柏拉图设想的抽象王国不同，这个图书馆比可见世界更丰富，更多样化，也更为复杂。这里藏匿着达尔文进化论已经创造甚至能够创造的所有物种的创新，没有哪个星球能够为探索这一切提供足够大的空间。这只无腿的蜥蜴以及其他辉煌的生物世界，只不过是柏拉图式可能王国的微弱影子而已。