密歇根大学
摘要：
一种主流的进化论认为，大多数基因变化无关紧要，但新的证据表明并非如此。研究人员发现，有益突变的发生频率出乎意料地高。关键在于，不断变化的环境会阻止这些突变在变得无用或有害之前广泛传播。事实证明，进化与其说是为了达到完美，不如说是为了永无止境地追逐一个不断变化的目标。
进化的运作方式与我们想象的不同
进化并非中立或已完成——它是一场与瞬息万变的世界进行的永不停歇的竞赛。图片来源：Shutterstock
几十年来，许多进化生物学家一直认为，大多数塑造基因和蛋白质的基因变化都是中性的。在这种观点下，突变通常既无益也无害，因此它们可以悄无声息地传播，而不会受到自然选择的强烈青睐或排斥。
密歇根大学的一项新研究挑战了这一长期存在的假设，并表明进化的运作方式可能与我们之前认为的截然不同。
重新思考进化的中性理论
随着物种的进化，随机的基因突变会出现。有些突变会固定下来，这意味着它们会传播开来，直到种群中的每个个体都携带这种改变。分子进化的中性理论认为，大多数达到这一阶段的突变都是中性的。进化生物学家张建志解释说，有害突变会被迅速淘汰，而有益突变则被认为极其罕见。
张建志和他的同事着手检验这一理论是否经得起更深入的考察。他们的研究结果揭示了一个重大问题。研究人员发现，有益突变的发生频率远高于中性理论的预测。与此同时，他们观察到，突变在种群中固定下来的总体速率远低于预期，如果如此多的有益突变得以保留，那么固定下来的速率应该更高。
为什么有益突变往往无法持久
为了解释这一矛盾，研究团队提出了一个基于环境变化的新解释。在一种环境下具有优势的突变，一旦环境发生变化，就可能变得有害。由于环境变化频繁，许多有益突变从未广泛传播到足以固定下来的程度。
这项由美国国立卫生研究院资助的研究发表在《自然生态与进化》杂志上。
“我们认为结果是中性的，但过程并非中性，”密歇根大学生态与进化生物学教授张教授说道。“我们的模型表明，自然种群并非真正适应其环境，因为环境变化非常迅速，种群始终在追逐环境的变化。”
张教授将这一框架称为“具有拮抗性多效性的适应性追踪”。这一理念有助于解释为什么生物体很少能与周围环境完美匹配。
这对人类和其他物种意味着什么？
张教授认为，这些发现具有广泛的意义，包括对人类而言。现代环境与我们祖先所处的环境截然不同，这或许可以解释为什么某些遗传特征不再像以前那样对我们有效。
“我认为这具有广泛的意义。例如，人类。我们的环境发生了巨大的变化，我们的基因可能并不完全适应今天的环境，因为我们经历过许多不同的环境。一些突变在过去的环境中可能是有益的，但在今天却不匹配，”张教授说道。
他补充说，一个种群的适应程度取决于其环境最近发生变化的时间。
“在任何时候观察一个自然种群，根据环境最近一次发生重大变化的时间，该种群的适应程度可能很差，也可能相对较好。但我们可能永远不会看到任何完全适应其环境的种群，因为完全适应所需的时间几乎超过了任何自然环境能够保持稳定的时间。”
科学家如何研究有益突变
分子进化中性理论于20世纪60年代提出，当时蛋白质和基因测序技术的进步使科学家能够从分子层面研究进化，而不仅仅关注形状和结构等物理特征。
为了衡量有益突变的发生频率，张和他的团队分析了他们实验室和其他实验室生成的大量深度突变扫描数据集。在这些实验中，研究人员在酵母和大肠杆菌等生物体的单个基因或基因组片段中人为地引入了许多不同的突变。
然后，他们追踪这些生物体多代的生长情况，并将其与野生型（自然界中最常见的形式）的生长情况进行比较。通过测量生长差异，研究人员可以评估突变对生物体是有益还是有害。
结果表明，超过1%的突变是有益的。这个比例相当高。
Nature Ecology, 2025; 9 (12): 2358 DOI: 10.1038/s41559-025-02887-1
