科學家表示演化可能與我們想像的不同

密西根大學進行的一項研究對這種情況提出了質疑。演化生物學家張建志的研究表明，有益突變可能比舊理論預測的更為常見。但有一個問題。許多有益的突變可能不會持續足夠長的時間而成為永久性的。

偉大的進化論面臨新的考驗

在演化過程中，突變是偶然出現的。有些消失了。其他物種則不斷傳播，直至族群中的每個成員都攜帶它們，這個過程稱為固定。

半個多世紀以來，分子演化中最有影響力的想法之一是分子演化中性理論。該理論於 20 世紀 60 年代首次提出，指出基因和蛋白質層面的大多數固定遺傳變化是中性的。從這個角度來看，有害的突變通常會透過自然選擇而消除，而真正有益的突變非常罕見，因此大多數永久性分子變化預計是中性的。

張和他的同事著手研究這理論背後的主要假設。有益的突變真的很罕見嗎？

他們的結果顯示答案可能是否定的。

有益的突變可能出乎意料地普遍

研究小組利用他們的實驗室和其他實驗室的大量深度突變掃描數據，研究了酵母和大腸桿菌等模型生物中的幾種突變的影響。在深度突變掃描中，科學家在基因或基因組區域中產生許多突變，然後測量這些變化如何影響生物。

研究人員對這些生物體進行了多代追踪，並將它們與野生型或自然界中最常見的版本進行比較。透過測量生長，他們能夠估計突變是否有幫助、有害或幾乎沒有影響。

他們發現，他們檢查的氨基酸突變中有超過 1% 是有益的。這看似很小，但在進化論中卻是巨大的。如果這個數量的突變是有益的，研究小組計算出超過 99% 的氨基酸取代必須是適應性的。基因進化的速度也一定比科學家在自然界中觀察到的快得多。

這種不匹配迫使研究人員重新思考他們的假設之一。他們的結論是，問題可能在於環境不會保持靜態。

演化正在追逐一個移動的目標

突變可能在一種環境中有益，而在另一個環境中有害。如果在有益突變傳播到整個族群之前環境發生了變化，那麼該突變可能會失去其優勢，甚至成為劣勢。

「我們說結果是中性的，但過程卻不是中性的，」馬裡蘭大學生態學和演化生物學教授張說。 “我們的模型表明，自然種群並沒有真正適應環境，因為環境變化如此之快，而種群總是追逐環境。”

該團隊將這個框架稱為具有對抗性多態性的自適應追蹤。簡單來說，這意味著族群可能會不斷對環境變化做出反應，而許多突變則需要根據環境進行權衡。

今天增強健康水平的突變可能會降低明天的健康水平。因此，演化可能充滿了永遠不會永久的有益變化。

酵母實驗展示了條件變化時會發生什麼

為了驗證這個想法，張的團隊比較了 800 代以上的兩個酵母群。一組在穩定的環境中演化。另一種是在由 10 種不同生長培養基組成的可變環境中發育。

可變環境組在第一個環境中花費了 80 代，然後在下一個環境中花費了 80 代，依此類推，直到也完成了 800 代。 （每代持續3小時）

研究人員發現，暴露於改變條件的群體中有益突變明顯減少。然而，有益的突變不斷出現，但在情況再次改變之前，它們往往沒有足夠的時間在人群中傳播。

「這就是悖​​論的來源，」張說。 “雖然我們在給定環境中觀察到許多有益突變，但這些有益突變沒有機會被修復，因為當它們的頻率增加到一定水平時，環境就會發生變化。” “那些在舊環境中有益的突變在新環境中可能會變得有害。”

為什麼完美的適應如此難以捉摸？

結果提出了一種更令人擔憂的演化論觀點。族群可能常常陷入追求不斷變化的條件的困境，而不是穩步走向生物體與其環境之間的完美契合。

張說，這個想法對包括人類在內的生物有廣泛的影響。

「我認為這具有廣泛的影響，」張說。 「例如，人類。我們的環境已經發生了很大變化，我們的基因可能不是最適合今天的環境，因為我們經歷過許多其他不同的環境。一些突變可能對我們古代的環境有益，但它們與今天並不相同。”

他補充說，任何族群表現出的適應程度可能取決於其環境最近發生的變化。

“任何時候你觀察一個自然種群，根據上次環境發生重大變化的時間，種群可能沒有很好地適應，或者可能相對較好地適應。但我們可能永遠不會看到任何種群完全適應其環境，因為完全適應所需的時間比幾乎任何自然環境保持不變的時間都要長。”

科學家研究突變的方式發生更大轉變

中性理論出現在生物學的轉折點。 20 世紀 60 年代以前，科學家透過檢視有機體的形狀、結構和物理特徵來研究演化。當研究人員開始對蛋白質和後續基因進行測序時，他們能夠在分子層面上研究演化。

這種轉變揭示了中性理論可以很好解釋的模式，包括為什麼如此多的遺傳差異隨著時間的推移而穩步累積。密西根州的研究並沒有抹去這段歷史。相反，它提供了一種調和兩個看似相互矛盾的觀察結果的方法。

一方面，當科學家比較基因組時，許多固定的分子變化仍然顯得中性。另一方面，實驗表明，在給定的環境中，有益的突變可能很豐富。張的團隊認為，如果有益突變通常是暫時的，那麼這兩種情況都可能成立。

進化遺傳學的最新研究繼續強調改變環境的重要性。 2026 年對快速變化條件下的適應性的回顧強調了等位基因和性狀頻率的變化如何在很大程度上取決於可用的遺傳變異。其他酵母研究也表明，環境壓力可以塑造適應能力，在一個環境中有益的突變可能會在其他環境中產生成本。

總之，這些發現強化了演化生物學中一個日益增長的議題。突變的影響並不總是可以單獨理解。這可能取決於周圍環境、有機體的歷史以及條件變化的速度。

警告和下一個問題

張指出了一個重要的限制。研究中使用的大部分數據來自酵母和 大腸桿菌，單細胞生物，有助於測量突變對健康的影響。需要多細胞生物體的更深入的突變掃描數據，以確定相同的模式是否適用於動物、植物和人類。

團隊還計劃調查為什麼即使環境保持不變，生物體也需要這麼長時間才能完全適應。

這項研究得到了美國國立衛生研究院的支持，並發表在《自然生態學與演化》雜誌上。其他作者包括前澳大研究生宋慈亮和陳樹康，以及前澳大博士後研究員陳飄飚。

目前，這項工作提出了一種令人震驚的可能性。進化可能不像是朝著完美的穩定攀登，而更像是追逐一個不斷變化的世界。