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造就第428位讲者 张文驹 复旦大学生命科学学院教授 我是来自复旦大学生命学院的老师。什么是宇宙中最伟大的创造者？我认为是生命。 大家看这张图，生命是如此奇妙多样，完全超乎我们的想象。 地球上现存物种大约有三百万到几千万不等，这还只是曾经存过的很小一部分，不到1%。也就是说99%的物种，都已经消失在历史的尘埃当中，少数变成化石，大部分找不到踪影了。 像图片上这些翅膀长达20米的鸟、恐龙、始祖鸟等，它们是怎样被创造出来的呢？今天我们就要讨论这个话题。 进化论是正确的吗？ 很多人会说，是进化造就了生物的多样性，我也同意。但“进化”这个答案是正确的吗？究竟是什么力量创造出它们来呢？ 这个问题，几百年来令很多人非常着迷。直到大约200年前，英国剑桥大学神学院的一个学生，也就是后来我们所熟知的生物学家达尔文，经过5年的环球考察和20多年的研究，于1859年发表了震惊世人的《物种起源》，用自然科学的理论解释了生命多样性的来源。 160年来，这个理论被攻击、曲解、滥用，但是直到今天，依然没有比这更好的理论，它依然是指引我们不断探索和理解生命世界的灯塔。 我们来看看这些大家耳熟能详的概念： 生存斗争、优胜劣汰、弱肉强食、适者生存……它们全都来自于这个理论。但是这些概念没有一个能够完整地反映达尔文进化论的核心，实质上进化论最具创新意义的概念，是自然选择。 简单来说，达尔文的理论核心是，生命的进化或者新物种的出现，是生命的本性和它生存环境中可利用资源的有限性之间相互作用的结果。 以在某个特定空间里繁殖的生命为例：这个空间里有很多生命体，在繁殖过程中，有个重要的特性就是会发生变异或者说突变，会产生变化。 这是单个个体的行为，在这个图里面可以看出，某些绿色的个体突然繁殖出了红色或者白色的后代，这是重要的第一步。 第二步是什么呢，当变异形成以后， 它未来的命运会怎么样？这就进入群体行为的阶段。比如红色的生命体获得了更多的资源，这时候它就能够生存得更好，繁殖更多这种类型的后代。这样的话，绿色的个体就逐渐被红色取代。 在特定情况下，虽然有变异产生，但是绿色类型依然能够获得更多资源，红色类型又逐渐消失了，群体就会保持原样。 基因频率（编注：指在一个种群基因库中，某个基因占全部等位基因数的比率）的改变就是进化的本质。所谓自然选择就是区别不同个体的生存和繁殖能力。 怎么来区别呢，通过个体的竞争，在我们看来是“斗争”。而如果它们生存的环境恰好不相同的话，就有利于产生多种类型的生命，多样性就产生了。 就好比如果绿色的个体，全部只喜欢吃胡萝卜，它的生存的环境里面只有胡萝卜，那它们都得吃胡萝卜。如果胡萝卜足够多，那大家都能活下去。但如果胡萝卜的资源是有限的，那大家就得去竞争；而如果大环境里的资源不仅有胡萝卜，还有白菜、土豆，生命可以进化出吃土豆、白菜的类型，这就可以避免竞争，使得不同的生命群体得以延续下去，同时也产生新的生物类型。 这就是达尔文的基本思想，然而它曾受到很多人的质疑。 1998年，英国牛津大学的保罗·雷尼（Paul Rainey）教授课题组在《自然》杂志上发表了一篇验证达尔文进化论的论文。 他用了一个很容易培养，繁殖很快的单细胞细菌做实验，这个细菌一天时间里就能繁殖出很多代，出现很多不同个体。 实验过程中，他把同一个菌斑的菌，分成两部分放进两个培养基，一个不停摇动，另一个保持静止，就这么简单的差别。 结果有什么差异呢？ 静止不动的培养基，3～5天后长出了两三种不同类型的菌。 处于摇动环境的培养基，繁殖出来的还是原来放进去那种细菌。 为什么会产生这样的差异？
因为在摇动的杯子里面，生长环境是均匀一致的，而在静止的杯子里，生长环境是有差别的。差别主要在于接触的空气不太一样，表面的液体能接触空气，下面的液体则接触不到，所以这个培养基里的水，上中下层的含氧量是不一样的。在静止状态中，三种环境里的生命获得的资源不一样，一些变异类型因此出现并产生大量后代。 我们当然不能指望在这样简单的杯子里能进化出多种多样的生物，但是通过这个实验，我们可以知道，只要有多样的环境，就可以进化出多种类型的生物。
约为1/4平方米中的不同物种 一个杯子里面3天5天就能产生1到3种类型的细菌，把进化空间扩大到地球，你就能理解，有着复杂大脑的人类是怎样在几亿年，乃至几十亿年中逐渐进化出来的。 生物的创造力远超出我们的想象。 而最近100多年来，随着科技的发展，我们对生物变异方式的理解也在大大加深，物种诞生和演进的过程越来越“可视”，不再只是停留在达尔文的天才想象之中。 基因变异是物种创造的开始 基因变异，是创造新物种的第一步，这个变异体现在哪里呢？我们人类和其他生物（一些病毒除外）的所有特征，或者所谓进化的变化，都会在细胞的DNA分子上反映出来。
比如说我们的鼻子、眼睛、头发等等的遗传信息都记录在DNA分子上，它们主要处于细胞核中。图中细胞里的蓝色区域就是细胞核。 人类有46条DNA分子，都集中在这个区域当中，它们会在细胞分裂的时候变成46条染色体，变异就在这个过程中产生。 比较常见的一种基因变异，是单碱基突变。 举个例子——镰刀型贫血症，就是一个核苷酸变异了，从GAG变成了GTG，而对应它编码的氨基酸，就从谷氨酸变成缬氨酸。
这时候，人的血红蛋白就不正常了，就会得贫血症。 这种单碱基的突变很多。但是生物在进化中也会出现新的变异模式，比如“转座子”就是其中一种重要的类型，它是一种可移动的DNA片段。 在基因组里面一段DNA从原来的位点搬运到另外的位点，并对其后的基因起调控作用，这样的过程称为“转座”，像树丛中飞来飞去的蝴蝶，它会使基因变异的速度大大提高。有了变异，进化也就有了可能。 我们人体里45%的DNA片段，都是这样可移动的片段，虽然它移动的概率很低；玉米里的转座子比例高达70%到80%，那它们造成的变异就很多。 还有一种物种创造的方式是重组，它可以把两个不同的东西组合起来。 比如上世纪80年代出现的艾滋病，它怎么来的呢？ 它最早来源于非洲的两种猴子——白颈白眉猴和大白鼻长尾猴，它的病毒叫SIV（Simian immunodeficiency virus，猴免疫缺陷病毒）。
因为黑猩猩会把捕杀到的猴子生吃掉，这两种猴子的病毒就在黑猩猩的身体里重组，产生出一种新的病毒。它的感染力很强，感染了大猩猩之后，又通过某种方式感染到我们人类。这就是HIV（Human Immunodeficiency Virus，人类免疫缺陷病毒），人类的艾滋病毒是由两种SIV病毒组合产生的。 而这种变化组合形式，在生命进化里面已经固定下来，那就是——有性生殖。 最早的生物是没有性别之分的，生物的繁殖不需要性别和性，但在进化当中，性慢慢出现了。 最先出现的可能没有性别之分的结合生殖，如水绵，它有个类似有性生殖的过程：正常情况下，水绵的繁殖是断成几节就变成不同的新个体；但有时候，水绵细胞壁上会长出一个凸起，通过这个凸起，把物质全部运送到另外一个细胞里，形成一个合子，这个细胞会挪到水底下，等条件适合再长出新的个体来。
这就是最早的性的产生。 这个衣藻，是另外一种单细胞生物。它可以无性繁殖，在图示的右边，两次分裂变成4个细胞，等细胞长大就变成一个成熟的衣藻。
但是在一些偶然的时刻，分裂 4次形成8个细胞之后（如图左），这些细胞不再生长，只有两两结合成一个合子，在水里面度过不良环境之后，再经过几次分裂，才变成新的个体。这就是性的开始。 所以生物的性别，并不是一开始就有的。 有性繁殖的好处在哪呢？它可以把不同个体的基因组合在一起形成更多的变异类型。结合的两个生殖细胞逐渐从两个一样的细胞，变成一大一小两个细胞，最后变成我们现在知道的卵和精。 现在大多生物都是通过精卵结合的方式进行繁殖，包括人类。卵和精的差别很大，但最开始的时候，它们是这样进化来的。 在有性繁殖的进化中，一个重要的机制是减数分裂。
在两个细胞形成合子以后，有一个特殊的分裂，使得合子的基因组减半，它的好处是可以把不同个体的基因纳入到一起，进行重新组合，形成新的类型，比单一个体的基因突变，来得方便、来得快。 这种机制，也不是生来就有的，它是物种在适应环境变化过程中不断进化出来的。 性别产生以后导致的结果就是出现了新的选择方式，以前是外界环境选择，现在，同个物种不同性别的个体间可以互相选择，比如说雌性选择雄性，像天堂鸟这样漂亮的羽毛和外形，都得益于雌雄分化和性别选择。
还有一种物种创造方式，不是同种的个体结合，而是一个生物直接把外面的一个东西一口吞噬进去。 这是一个细菌，它可以通过纤毛把外面环节的DNA片段摄入体内，变成它的一部分，从而改变自己的基因组结构。
研究发现，几乎所有现存的植物都来自一次重要事件：大概二十几亿年前，我们的一个老祖先（编注：这里指的是某个原始真核生物。真核生物是所有单细胞或多细胞的、其细胞具有细胞核的生物的总称，它包括所有动物、植物、真菌和其它具有由膜包裹着的复杂亚细胞结构的生物。）一口把另外一个生物吞进去了。 它吞进了什么东西呢？一个能够进行光合作用的细菌。 吞到细胞里面去后，它没有把这个细菌消化掉，而变成它的一部分。这样，几乎所有的植物都是这样来的。 把光合细菌的基因组，变成它的一部分，这叫作内共生起源。 就相当于一个公司，把另一个小公司吞并以后，把对方所有专利全部买进，变成一个大公司，有了新的功能，它的能力一下子增强了很多。本来只能通过单个基因突变进化，现在它可能一下子吃进去100个基因，极大提升了进化节奏。 另外一种办法是什么呢？杂交。 物种间的杂交，常常伴随基因组加倍，比如说两个物种原本各自有1000个基因，杂交以后基因组增加了一倍，变成2000个。 相当于两个小公司合并变成一个大公司。 举个例子，我们生活中经常吃的小麦，穗子很大。但它的祖先是什么样呢？你可能想不到，它的祖先是这样的。
它祖先是三种植物，一种是单粒小麦，穗子很小，比铅笔还要细，另外两种分别是山羊草和节节麦。 先是野生的单粒小麦和山羊草杂交，基因组加倍。野生的单粒小麦，只有14条染色体，但是它杂交后变成28个，成为硬粒小麦。
然后硬粒小麦和麦田里面的另外一种草——节节麦再进行杂交，基因组再次加倍，变成6倍体，拥有42条染色体，这才形成了我们现在吃的小麦。 所有的开花植物都会经历这样的过程，而且不止一次。玉米、大豆、高粱……都是这样进化而来的。 环境造就了生命类型多样化 除了变异，生物进化还包括另外一个部分，就是环境的选择，两者缺一不可。 变异是个体行为，而环境选择是群体行为，只有变异还不能够创造出多姿多彩的生命类型，所以环境很重要。而环境又处于不断的变化当中，这种变化，一方面来自生物本身：比如原来地球表面的大气里是没有氧气的。
那么氧气是怎么来呢？是光合细菌产生以后，它不断把氧气释放到空气当中，使得空气里面的氧浓度发生改变，而光合细菌是物种进化产生的。 这个改变创造了新的环境条件，使得有氧生物能在地球表面生活，这是个巨大的变化。氧浓度增加以后，生物的创造力大大加强，地球上的物种呈现出爆发式的增长。有人猜测，所谓的寒武纪爆发，也跟这个有关。 另一方面，随着生物种类的增加，物种间的关系变得更复杂，相互之间有了更密切的关联。所谓选择，不再是无机环境对生物的作用，更重要的是生物对生物的选择。 最简单的例子，昆虫和兰花，两者的相互合作就形成了协同进化（Co-Evolution）。 这个进化，和温度、盐、水等条件对生物的选择不一样，是一种竞赛。这种巨大的力量使得它们相互之间产生了很多类型。比如下面这些人形的花朵，像这样的奇特生物，大多就来自于生物本身的选择。
就这样慢慢地，昆虫也多起来了，植物也多起来了，两者相互关联，生命就越来越丰富。 总而言之，生命就像山峰上的巨石，一旦这个巨石往山谷下滚动，速度就会越来越快。 山峰上的巨石滚落源于地心引力，而促使生命这块巨石加速滚动的力量来自哪里呢？ 来自于生命的本性和环境的相互作用。 这就是大自然神奇的创造力，新物种就是这样诞生和更替的。 |
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