造就第428位講者 張文駒
復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授
我是來自復(fù)旦大學(xué)生命學(xué)院的老師。什么是宇宙中最偉大的創(chuàng)造者？我認為是生命。
大家看這張圖，生命是如此奇妙多樣，完全超乎我們的想象。
地球上現(xiàn)存物種大約有三百萬到幾千萬不等，這還只是曾經(jīng)存過的很小一部分，不到1%。也就是說99%的物種，都已經(jīng)消失在歷史的塵埃當(dāng)中，少數(shù)變成化石，大部分找不到蹤影了。
像圖片上這些翅膀長達20米的鳥、恐龍、始祖鳥等，它們是怎樣被創(chuàng)造出來的呢？今天我們就要討論這個話題。
進化論是正確的嗎？
很多人會說，是進化造就了生物的多樣性，我也同意。但“進化”這個答案是正確的嗎？究竟是什么力量創(chuàng)造出它們來呢？ 這個問題，幾百年來令很多人非常著迷。直到大約200年前，英國劍橋大學(xué)神學(xué)院的一個學(xué)生，也就是后來我們所熟知的生物學(xué)家達爾文，經(jīng)過5年的環(huán)球考察和20多年的研究，于1859年發(fā)表了震驚世人的《物種起源》，用自然科學(xué)的理論解釋了生命多樣性的來源。
160年來，這個理論被攻擊、曲解、濫用，但是直到今天，依然沒有比這更好的理論，它依然是指引我們不斷探索和理解生命世界的燈塔。
我們來看看這些大家耳熟能詳?shù)母拍睿?div style="height:15px;">
生存斗爭、優(yōu)勝劣汰、弱肉強食、適者生存……它們?nèi)紒碜杂谶@個理論。但是這些概念沒有一個能夠完整地反映達爾文進化論的核心，實質(zhì)上進化論最具創(chuàng)新意義的概念，是自然選擇。
簡單來說，達爾文的理論核心是，生命的進化或者新物種的出現(xiàn)，是生命的本性和它生存環(huán)境中可利用資源的有限性之間相互作用的結(jié)果。
以在某個特定空間里繁殖的生命為例：這個空間里有很多生命體，在繁殖過程中，有個重要的特性就是會發(fā)生變異或者說突變，會產(chǎn)生變化。
這是單個個體的行為，在這個圖里面可以看出，某些綠色的個體突然繁殖出了紅色或者白色的后代，這是重要的第一步。
第二步是什么呢，當(dāng)變異形成以后， 它未來的命運會怎么樣？這就進入群體行為的階段。比如紅色的生命體獲得了更多的資源，這時候它就能夠生存得更好，繁殖更多這種類型的后代。這樣的話，綠色的個體就逐漸被紅色取代。
在特定情況下，雖然有變異產(chǎn)生，但是綠色類型依然能夠獲得更多資源，紅色類型又逐漸消失了，群體就會保持原樣。
基因頻率（編注：指在一個種群基因庫中，某個基因占全部等位基因數(shù)的比率）的改變就是進化的本質(zhì)。所謂自然選擇就是區(qū)別不同個體的生存和繁殖能力。
怎么來區(qū)別呢，通過個體的競爭，在我們看來是“斗爭”。而如果它們生存的環(huán)境恰好不相同的話，就有利于產(chǎn)生多種類型的生命，多樣性就產(chǎn)生了。
就好比如果綠色的個體，全部只喜歡吃胡蘿卜，它的生存的環(huán)境里面只有胡蘿卜，那它們都得吃胡蘿卜。如果胡蘿卜足夠多，那大家都能活下去。但如果胡蘿卜的資源是有限的，那大家就得去競爭；而如果大環(huán)境里的資源不僅有胡蘿卜，還有白菜、土豆，生命可以進化出吃土豆、白菜的類型，這就可以避免競爭，使得不同的生命群體得以延續(xù)下去，同時也產(chǎn)生新的生物類型。
這就是達爾文的基本思想，然而它曾受到很多人的質(zhì)疑。
1998年，英國牛津大學(xué)的保羅·雷尼（Paul Rainey）教授課題組在《自然》雜志上發(fā)表了一篇驗證達爾文進化論的論文。
他用了一個很容易培養(yǎng)，繁殖很快的單細胞細菌做實驗，這個細菌一天時間里就能繁殖出很多代，出現(xiàn)很多不同個體。 實驗過程中，他把同一個菌斑的菌，分成兩部分放進兩個培養(yǎng)基，一個不停搖動，另一個保持靜止，就這么簡單的差別。
結(jié)果有什么差異呢？ 靜止不動的培養(yǎng)基，3～5天后長出了兩三種不同類型的菌。 處于搖動環(huán)境的培養(yǎng)基，繁殖出來的還是原來放進去那種細菌。
為什么會產(chǎn)生這樣的差異？
因為在搖動的杯子里面，生長環(huán)境是均勻一致的，而在靜止的杯子里，生長環(huán)境是有差別的。差別主要在于接觸的空氣不太一樣，表面的液體能接觸空氣，下面的液體則接觸不到，所以這個培養(yǎng)基里的水，上中下層的含氧量是不一樣的。在靜止?fàn)顟B(tài)中，三種環(huán)境里的生命獲得的資源不一樣，一些變異類型因此出現(xiàn)并產(chǎn)生大量后代。
我們當(dāng)然不能指望在這樣簡單的杯子里能進化出多種多樣的生物，但是通過這個實驗，我們可以知道，只要有多樣的環(huán)境，就可以進化出多種類型的生物。
約為1/4平方米中的不同物種
一個杯子里面3天5天就能產(chǎn)生1到3種類型的細菌，把進化空間擴大到地球，你就能理解，有著復(fù)雜大腦的人類是怎樣在幾億年，乃至幾十億年中逐漸進化出來的。
生物的創(chuàng)造力遠超出我們的想象。
而最近100多年來，隨著科技的發(fā)展，我們對生物變異方式的理解也在大大加深，物種誕生和演進的過程越來越“可視”，不再只是停留在達爾文的天才想象之中。
基因變異是物種創(chuàng)造的開始
基因變異，是創(chuàng)造新物種的第一步，這個變異體現(xiàn)在哪里呢？我們?nèi)祟惡推渌铮ㄒ恍┎《境猓┑乃刑卣?，或者所謂進化的變化，都會在細胞的DNA分子上反映出來。
比如說我們的鼻子、眼睛、頭發(fā)等等的遺傳信息都記錄在DNA分子上，它們主要處于細胞核中。圖中細胞里的藍色區(qū)域就是細胞核。
人類有46條DNA分子，都集中在這個區(qū)域當(dāng)中，它們會在細胞分裂的時候變成46條染色體，變異就在這個過程中產(chǎn)生。
比較常見的一種基因變異，是單堿基突變。
舉個例子——鐮刀型貧血癥，就是一個核苷酸變異了，從GAG變成了GTG，而對應(yīng)它編碼的氨基酸，就從谷氨酸變成纈氨酸。
這時候，人的血紅蛋白就不正常了，就會得貧血癥。
這種單堿基的突變很多。但是生物在進化中也會出現(xiàn)新的變異模式，比如“轉(zhuǎn)座子”就是其中一種重要的類型，它是一種可移動的DNA片段。
在基因組里面一段DNA從原來的位點搬運到另外的位點，并對其后的基因起調(diào)控作用，這樣的過程稱為“轉(zhuǎn)座”，像樹叢中飛來飛去的蝴蝶，它會使基因變異的速度大大提高。有了變異，進化也就有了可能。
我們?nèi)梭w里45%的DNA片段，都是這樣可移動的片段，雖然它移動的概率很低；玉米里的轉(zhuǎn)座子比例高達70%到80%，那它們造成的變異就很多。
還有一種物種創(chuàng)造的方式是重組，它可以把兩個不同的東西組合起來。
比如上世紀80年代出現(xiàn)的艾滋病，它怎么來的呢？
它最早來源于非洲的兩種猴子——白頸白眉猴和大白鼻長尾猴，它的病毒叫SIV（Simian immunodeficiency virus，猴免疫缺陷病毒）。
因為黑猩猩會把捕殺到的猴子生吃掉，這兩種猴子的病毒就在黑猩猩的身體里重組，產(chǎn)生出一種新的病毒。它的感染力很強，感染了大猩猩之后，又通過某種方式感染到我們?nèi)祟悺＿@就是HIV（Human Immunodeficiency Virus，人類免疫缺陷病毒），人類的艾滋病毒是由兩種SIV病毒組合產(chǎn)生的。
而這種變化組合形式，在生命進化里面已經(jīng)固定下來，那就是——有性生殖。
最早的生物是沒有性別之分的，生物的繁殖不需要性別和性，但在進化當(dāng)中，性慢慢出現(xiàn)了。
最先出現(xiàn)的可能沒有性別之分的結(jié)合生殖，如水綿，它有個類似有性生殖的過程：正常情況下，水綿的繁殖是斷成幾節(jié)就變成不同的新個體；但有時候，水綿細胞壁上會長出一個凸起，通過這個凸起，把物質(zhì)全部運送到另外一個細胞里，形成一個合子，這個細胞會挪到水底下，等條件適合再長出新的個體來。
這就是最早的性的產(chǎn)生。
這個衣藻，是另外一種單細胞生物。它可以無性繁殖，在圖示的右邊，兩次分裂變成4個細胞，等細胞長大就變成一個成熟的衣藻。
但是在一些偶然的時刻，分裂 4次形成8個細胞之后（如圖左），這些細胞不再生長，只有兩兩結(jié)合成一個合子，在水里面度過不良環(huán)境之后，再經(jīng)過幾次分裂，才變成新的個體。這就是性的開始。
所以生物的性別，并不是一開始就有的。
有性繁殖的好處在哪呢？它可以把不同個體的基因組合在一起形成更多的變異類型。結(jié)合的兩個生殖細胞逐漸從兩個一樣的細胞，變成一大一小兩個細胞，最后變成我們現(xiàn)在知道的卵和精。
現(xiàn)在大多生物都是通過精卵結(jié)合的方式進行繁殖，包括人類。卵和精的差別很大，但最開始的時候，它們是這樣進化來的。 在有性繁殖的進化中，一個重要的機制是減數(shù)分裂。
在兩個細胞形成合子以后，有一個特殊的分裂，使得合子的基因組減半，它的好處是可以把不同個體的基因納入到一起，進行重新組合，形成新的類型，比單一個體的基因突變，來得方便、來得快。
這種機制，也不是生來就有的，它是物種在適應(yīng)環(huán)境變化過程中不斷進化出來的。
性別產(chǎn)生以后導(dǎo)致的結(jié)果就是出現(xiàn)了新的選擇方式，以前是外界環(huán)境選擇，現(xiàn)在，同個物種不同性別的個體間可以互相選擇，比如說雌性選擇雄性，像天堂鳥這樣漂亮的羽毛和外形，都得益于雌雄分化和性別選擇。
還有一種物種創(chuàng)造方式，不是同種的個體結(jié)合，而是一個生物直接把外面的一個東西一口吞噬進去。
這是一個細菌，它可以通過纖毛把外面環(huán)節(jié)的DNA片段攝入體內(nèi)，變成它的一部分，從而改變自己的基因組結(jié)構(gòu)。
研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有現(xiàn)存的植物都來自一次重要事件：大概二十幾億年前，我們的一個老祖先（編注：這里指的是某個原始真核生物。真核生物是所有單細胞或多細胞的、其細胞具有細胞核的生物的總稱，它包括所有動物、植物、真菌和其它具有由膜包裹著的復(fù)雜亞細胞結(jié)構(gòu)的生物。）一口把另外一個生物吞進去了。
它吞進了什么東西呢？一個能夠進行光合作用的細菌。
吞到細胞里面去后，它沒有把這個細菌消化掉，而變成它的一部分。這樣，幾乎所有的植物都是這樣來的。
把光合細菌的基因組，變成它的一部分，這叫作內(nèi)共生起源。
就相當(dāng)于一個公司，把另一個小公司吞并以后，把對方所有專利全部買進，變成一個大公司，有了新的功能，它的能力一下子增強了很多。本來只能通過單個基因突變進化，現(xiàn)在它可能一下子吃進去100個基因，極大提升了進化節(jié)奏。
另外一種辦法是什么呢？雜交。 物種間的雜交，常常伴隨基因組加倍，比如說兩個物種原本各自有1000個基因，雜交以后基因組增加了一倍，變成2000個。
相當(dāng)于兩個小公司合并變成一個大公司。
舉個例子，我們生活中經(jīng)常吃的小麥，穗子很大。但它的祖先是什么樣呢？你可能想不到，它的祖先是這樣的。
它祖先是三種植物，一種是單粒小麥，穗子很小，比鉛筆還要細，另外兩種分別是山羊草和節(jié)節(jié)麥。
先是野生的單粒小麥和山羊草雜交，基因組加倍。野生的單粒小麥，只有14條染色體，但是它雜交后變成28個，成為硬粒小麥。
然后硬粒小麥和麥田里面的另外一種草——節(jié)節(jié)麥再進行雜交，基因組再次加倍，變成6倍體，擁有42條染色體，這才形成了我們現(xiàn)在吃的小麥。
所有的開花植物都會經(jīng)歷這樣的過程，而且不止一次。玉米、大豆、高粱……都是這樣進化而來的。
環(huán)境造就了生命類型多樣化
除了變異，生物進化還包括另外一個部分，就是環(huán)境的選擇，兩者缺一不可。
變異是個體行為，而環(huán)境選擇是群體行為，只有變異還不能夠創(chuàng)造出多姿多彩的生命類型，所以環(huán)境很重要。而環(huán)境又處于不斷的變化當(dāng)中，這種變化，一方面來自生物本身：比如原來地球表面的大氣里是沒有氧氣的。
那么氧氣是怎么來呢？是光合細菌產(chǎn)生以后，它不斷把氧氣釋放到空氣當(dāng)中，使得空氣里面的氧濃度發(fā)生改變，而光合細菌是物種進化產(chǎn)生的。
這個改變創(chuàng)造了新的環(huán)境條件，使得有氧生物能在地球表面生活，這是個巨大的變化。氧濃度增加以后，生物的創(chuàng)造力大大加強，地球上的物種呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長。有人猜測，所謂的寒武紀爆發(fā)，也跟這個有關(guān)。
另一方面，隨著生物種類的增加，物種間的關(guān)系變得更復(fù)雜，相互之間有了更密切的關(guān)聯(lián)。所謂選擇，不再是無機環(huán)境對生物的作用，更重要的是生物對生物的選擇。
最簡單的例子，昆蟲和蘭花，兩者的相互合作就形成了協(xié)同進化（Co-Evolution）。
這個進化，和溫度、鹽、水等條件對生物的選擇不一樣，是一種競賽。這種巨大的力量使得它們相互之間產(chǎn)生了很多類型。比如下面這些人形的花朵，像這樣的奇特生物，大多就來自于生物本身的選擇。
就這樣慢慢地，昆蟲也多起來了，植物也多起來了，兩者相互關(guān)聯(lián)，生命就越來越豐富。
總而言之，生命就像山峰上的巨石，一旦這個巨石往山谷下滾動，速度就會越來越快。
山峰上的巨石滾落源于地心引力，而促使生命這塊巨石加速滾動的力量來自哪里呢？
來自于生命的本性和環(huán)境的相互作用。
這就是大自然神奇的創(chuàng)造力，新物種就是這樣誕生和更替的。
