脆蛇蜥 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？

当没有腿的脆蛇蜥蜴在草丛中蜿蜒时，你根本分辨不出它和蛇的区别。但是如果惊动了它，它就会表现出蛇不具备的技能:甩尾巴就跑，被它甩出去的尾巴还在原地扭动。

这不是脆皮蛇蜥的唯一技能。如果你仔细观察，你会发现它的喉咙不会弯曲，它的眼睑会动，它的耳朵会张开——这些特征是蜥蜴独有的。这样，这种特殊的生物就不能属于任何熟悉的范畴。

生命形式有一百多万种，各种乱七八糟。要想搞清楚，首先要把它们放到我们称之为物种的框架里。是不是更容易把腿和爪子、喉咙或者耳朵按照外貌特征划分成各种物种？大约在查尔斯·达尔文之前一个世纪，生物分类学家卡尔·林奈就这样做了，他为不同的生命形式奠定了现代分类框架；同样对化石进行分类的古生物学家乔治·居维叶也是如此。

要分类，首先要比较。相比之下，我们发现鸟类的腿和狮子的腿是如此相似，玫瑰和金盏花的花也非常相似，给我们留下了深刻的印象。根据这些相似性，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·这样的科学家不愿意接受生物链进化的观点，因为他在化石中看到了巨大的差距。1827年，他写道:“如果物种在逐渐变化，那么我们应该看到这些变化留下的痕迹。”如果他看到了我们现在所知道的中间阶段，也许他会有不同的看法。

然而，也许他不会，因为他不想接受进化论的原因远不止是知识不全。其实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雷德·诺斯·怀特海将整个欧洲哲学视为其著作的“系列脚注”之一。

在柏拉图看来，可感知的物质世界是更高现实的隐现阴影，真正重要的是抽象概念的领域。对于追随柏拉图的人来说，足球、高尔夫、乒乓球的本质都是球的形状。这种纯粹的、抽象的、不变的本质是真实的，而物体本身不是，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令人望而生畏。但是，事情还是可以通过区分每个物种特有的柏拉图的话的本质来做的。比如无腿的身体和可弯曲的喉咙，就是蛇区别于其他爬行动物的本质。所以，找到一个物种的本质是关键。

问题是脆蛇蜥蜴。此外，还有数百种难以分类的生物，例如白垩纪晚期的真脚蛇，它有残余的后腿。在千变万化的达尔文世界里，转眼间就会出现新的物种，它们的特征往往相互重叠。20世纪的生物学家恩斯特·迈尔(Ernst meier)称柏拉图为“进化论的伟大反主角”。事实上，是迈耶用现代生物学方法取代了物种的本质概念，即基于同一种群中可以交配的个体的方法。

但很有可能柏拉图的思想说了算，这种情况以前发生过很多次。我们需要抛弃生物千变万化的表象，更深入的探索。

蜥蜴本身由数十亿个细胞组成，每个细胞包含数千个蛋白质——由20种不同的氨基酸组成的长绳状分子。每种蛋白质都有一种独特的能力，可以引起化学反应，或者防止细胞崩溃，或者感知营养，或者接收来自其他细胞的信号，等等。每一项技能都是创新。本质上，它是一个有用的新特性。自从它在几百万年前产生以来，就一直在生死中起着决定性的作用。

DNA的随机变化如何带来创新？达尔文的自然选择概念在理解进化中起着关键作用，但在这里用处不大。问题是自然选择只能扩散现有的创新。植物学家雨果·德·弗里斯在1905年说过最经典的话:“自然选择可以解释适者生存，但它不能解释适者的出现。”

用一个比喻可能更能说明问题。想象一个巨大的图书馆，里面的书排列成所有可能的26个字母的组合。这个库大得不可思议，大部分文字都是纯废话。但在这些随机排列的字母组合中，总有一些可以理解的地方，也有一些真实或虚幻的故事，包括狄更斯的《雾都孤儿》和歌德的《浮士德》，以及其他小说和戏剧，每个人的传记，真实与虚构的世界历史，虚构的世界历史等等，取之不尽，用之不竭。有些文字包含了无数的技术创新，从车轮到蒸汽机到晶体管，还有无数现在都无法想象的技术创新。然而，找到这样一本有价值的书的概率是极小的。

在庞大的目录中，进化找不到它需要的化学物质。在这样一大堆书里，它只能一步一步慢慢前进。

蛋白质是这个库中的一本书，用20个氨基酸字母写成。蛋白质的文本虽然不能像托尔斯泰的《战争与和平》那么长，但数量惊人。例如，每串500个字母的氨基酸包含10600个文本，远远大于可见宇宙中的原子数量。

这个文库是一个可能世界中的巨大空空间，所有的蛋白质都被编码为对生命非常重要。这是关键:进化不仅仅是在庞大的目录中寻找所需的化学物质，它必须在这一排书中一步一步前进。想象一群来访者，每个人代表一个家庭，他们必须盲目地探索图书馆，一步一步地跟随自己的感觉。听起来像是圣诞速配游戏，但是有一个可怕的扭曲——突变会杀死血红蛋白等关键蛋白，这个血统就注定了，最终灭绝。

所以，关键是找到有用的文字。大自然发现了几百万份，人类工程师发现了更多，发现的速度并没有放慢。要欣赏这个图书馆里隐藏的创新奇迹，不用走太远，可以从身边耀眼多样的生物开始。进化的宏伟史诗将随着在这个图书馆的寻找而逐渐展开。

在这个库中，如果你想找到某个特定主题的文本，但是你没有目录，你会晕头转向，甚至踩错一步，很快你就会死。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，我们首先要建立这个进化论所缺乏的目录。这就需要我们弄清楚这个库的组织结构图，了解如何搜索创新项。

想象一下，我们从任何有意义的文本开始到一个邻居，然后从那个邻居到另一个邻居，一直到我们穿过图书馆的一半以上，改变大部分字母，但保持文本的意义不变。然后，我们从第一篇课文改变方向，换一个字母，再换另一个字母，一直走到整个图书馆而不改变课文的意思。再想想，这个旅程的起点不止一个，可以有上百个，每个都只是对不同字母的同义文本进行编码。自然界的文库是这样的，里面全是各种不规则的同义文本，我称之为基因型网络，每个网络编码它的分子和生化功能。

如果你想建立这样一个人类图书馆，有人会说你疯了。不仅图书馆里到处都是关于晶体管的书，而且还有无数的文本解释如何用不同的方法制造同一个晶体管。我们熟悉的常规图书馆会把技术手册集中在一个区，把达尔文的作品集中在另一个区，把托尔斯泰的小说集中在另一个区。因此，我们可以将我们的利益排成一条直线。但是因为基因突变的每一步都是随机的，我们无法走出一条直线，最后得到的是一个不规则的基因型网络。

部分个体DNA的随机变化会使血红蛋白等关键蛋白被禁止，导致个体死亡；但由于基因型网络的存在，其他突变可以产生同义文本，保留这种蛋白质的功能，拯救这种生物体。这种突变和自然选择的循环在志愿者的后代中重复进行。他们有些会死，但有些会活下来，走得更远。幸存的人口逐渐扩散到整个图书馆。这个过程需要很多代人去展开。

蜥蜴的输氧蛋白可以解释探索需要多大的努力。它们属于10多亿年前就存在但现在已经被遗忘很久的单一基因蛋白。到目前为止，它们不仅存在于整个动物世界，也存在于植物界，它们的足迹在整个图书馆随处可见。然而，它们仍然表达相同的化学功能:结合氧。

然而，他们的氨基酸文本已经变得面目全非。今天的血红蛋白，100个氨基酸中只有4%是共有的，这就像写一首诗，用无数种不同的方式表达同样的意义和感受，还有很多类似的其他分子诗。这些蛋白质有助于从营养中提取能量，在我们的细胞之间交流，感知我们周围的世界...

不同寻常的是，用这么多种方式说同一件事，就意味着会有更多的口误，每一次口误可能都有不同的含义。就像你可以通过在“模具”中改变一个字母来获得“黄金”，一个文本的一些邻居会表达新的含义。当观者通读原文中的每一个同义词时，可以得到不同的创新。在图书馆开辟一条可靠的路径，基因型网络就会获得创新的可能。

我来强烈表达一下这一点:没有这些同义文本的路径，没有这些在不断变化的字母序列中表达相同功能的基因组，就不可能通过随机突变不断发现新的创新，进化也就不会奏效。

所以，大自然的图书馆及其杂乱无章的网络对解释生命的进化能力有很大帮助，但它们从何而来？我们不能从蜥蜴或者它的解剖结构中看到它，不能在生命的形态中看到它，不能在表面下看到它，不能在组织和细胞的结构中看到它，甚至不能在它DNA的亚微观结构中看到它。它存在于概念世界，是数学家探索的抽象概念。这么说，是不是真的？

是创造新概念还是发现新概念，尤其是数学概念，这是一个问题。人类思考这个问题已经有2500多年了，至少从毕达哥拉斯开始。当时他宣称世界上的一切都是数字。有些人，像奥地利哲学家路德维希·维特根斯坦，认为数学真理是人类的发明；但也有人认同柏拉图的观点，认为我们的可见世界是更高真理的微弱影子。其中有许多数学家和物理学家，包括菲尔兹奖获得者费福满。他用数学创新的方式表达了自己的经历:有一种东西很牛逼。我们不是在创造，而是在发现一直存在的东西，比人类能做的任何创造都美好得多。

在物理学中，诺贝尔奖得主尤金·卫·赫纳称之为“不合理的数学效应”。的确，我们不知道为什么牛顿万有引力定律比可能启发它的落苹果更有解释力，为什么它能描述从吸积行星到整个太阳系和旋转星系的一切。无论如何，现实似乎遵循一些数学公式。

自然图书馆为已经争论了数百年的柏拉图理论的现实增加了另一个维度。在此之前，这场争论主要围绕着我们在数学中发现的抽象概念展开。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的教授安德里亚斯·瓦格纳(Andrias Wagner)于2014年出版了他的新书《幸存者的最佳选择:揭开进化的最大谜团》。随着基因型网络的出现，一个新的元素出现了:实验科学。

万有引力定律不像你能造的房子的蓝图，血红蛋白正文就是这样的蓝图。我们可以制造这种蛋白质，我们可以制造任何一种蛋白质，并通过精密的仪器研究它的化学意义。加上数以千计的天然蛋白质，蛋白质博物馆的这些居民比我们的创作更具异国情调。

自然图书馆是达尔文发现的生物创新之源。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、更复杂。达尔文进化论创造了甚至可以创造的各种创新，没有一个星球能提供足够的空间去探索这一切。这种无腿蜥蜴和其他辉煌的生物世界只是柏拉图式可能王国的微弱影子。