科学现场调查:进化无需选择?
导语：达尔文进化论难以解释某些“复杂结构”是如何产生的，比如我们的眼睛。因为眼睛的功能只有在各个部分大小和形状都合适时才能发挥作用。而进化途中的“半成品眼睛”，在面对自然选择时无法带来优势。但现在，一些科学家认为，有些复杂的生命结构可以在没有自然选择的情况下进化而来。眼睛这一“复杂结构”是达尔文进化论的软肋达尔文进化论的软肋达尔文还不到30岁的时候，就已经理出了进化理论的基本原理，但直到50岁，他才首次向世界公开自己的观点。在这20年中，他为自己的理论系统搜集证据，并为任何他能想到的怀疑和反驳意见准备回应答案。他预料到的反驳言论中，最重要的一条就是：他所设想的逐步进化过程无法产生某些复杂结构。仔细想想我们的眼睛吧。眼睛由很多部分组成——视网膜、晶状体、肌肉、玻璃体等等，所有这些部分共同作用才能产生视力。损伤其中任何一个部分，例如视网膜脱落，会立即导致失明。事实上，眼睛的功能只有在各个部分大小和形状都合适时才能发挥作用。如果达尔文是正确的，那么复杂的眼睛必然是由某个简单的雏形进化而来的。在 《物种起源》 (On the Origin of Species)一书中，达尔文是这样写的：“我承认，这似乎很荒谬。”
达尔文自己也认为，眼睛由一个简单的原型进化而来很荒谬尽管如此，达尔文依旧看到了产生复杂结构的进化途径。每一代，个体的性状都会发生改变，也就是我们所说的变异。而某些变异会让生物体更好地适应环境，让它们繁殖更多后代。由于自然选择的作用，数代之后，这些有利于生存与繁衍的变异会越来越常见。随着新变异的产生和扩散，生物体的解剖结构会逐渐改变，复杂结构由此产生。达尔文认为，有一种类似于现在的扁形虫那样的动物，它身上的一种简单的光感受点，最终进化成了人类的眼睛。自然选择使这个光感受点变成了一个杯状结构，可以用来检测光的方向。随后，其他一些附加特性会增强这个结构的视力，使生物体更好地适应外界环境，因此这些中间形态的“眼睛”会遗传给下一代。渐渐地，由于每一种中间形态的“眼睛”都比之前出现过的“眼睛”更有优势，所以自然选择会驱动这些结构变得更复杂。达尔文对复杂结构起源的思索得到了现代生物学的支持。现代的生物学家可以在分子水平上细致地研究眼睛和其他器官，他们发现，大量的复杂蛋白会相互结合，形成特定的结构，就像入口、传送带和发动机那样相互配合，才具有完整的功能。由于自然选择不断地筛选出那些适应性更好的中间形态，因此，如此复杂的蛋白系统可以由一个简单的结构进化而来。没有自然选择压力也能进化?然而现在，一些科学家和哲学家都认为，复杂结构也可以通过其他途径产生。部分人的观点是，随着时间的推移，生命体具有变得更复杂的内在趋势。还有一些人则坚持认为，即使没有自然选择的压力，只要随机突变发生了，生命结构复杂性的增加，也会作为一种副作用而出现。他们认为，复杂结构的出现，并不完全是过去数百万年来，生命体受到自然选择的精细调节的结果——也就是被达尔文戏称为“盲眼钟表匠”(the blind watchmaker)的过程。在某种程度上，复杂结构就是出现了。
人很“复杂”什么是“复杂性”?几十年来，生物学家和哲学家一直在思考，生命体的复杂性是如何进化而来的，根据杜克大学古生物学家丹尼尔·W·麦克西亚(Daniel W. McShea)的观点，对复杂性含糊的定义使得这些研究如跛足般前行。麦克西亚说：“科学家不仅不知道怎么来对复杂性定量，也不知道怎么用语言来描述。”麦克西亚与同样来自杜克大学的罗伯特·N·布兰登(Robert N. Brandon)已经思考这个问题很多年了。麦克西亚和布兰登建议，对于复杂性的描述，不应该只看到组成生物体各部分的数量，还应该注意到各部分的类型。我们的身体由10万亿个细胞组成，如果这些细胞都属于同一种类型，我们就是原生质(protoplasm)的简单堆积。恰恰相反，我们有肌肉细胞、红细胞、皮肤细胞等各种细胞，甚至连单个器官都是由许多不同类型的细胞组成。举例来说，视网膜就拥有60种行使不同功能的神经细胞。仅从细胞类型上看，我们就可以得出结论：人类远比其他动物，如只有6类细胞的海绵复杂得多。麦克西亚和布兰登在2010年出版的《生物学第一法则》(Biology's First Law)一书中，勾勒出了一种定义复杂性的方式。他们认为，一开始或多或少有些相似的部分，会随着时间的推移发生变化，并在进化上分离开来。不论生物体何时繁殖，至少有一个基因可能发生突变。并且，这种突变有时会导致某个结构产生更多类型。一旦某个有机体拥有更多部分，这些部分就有可能变得各不相同。一个基因被偶然复制以后，复制出的基因往往会获得原来所没有的新突变。因此，根据麦克西亚和布兰登的理论，如果刚开始，有机体的各个部分完全相同，那么这些部分会倾向于不断变化，彼此产生差异。换句话说，有机体的复杂性会增加。
狗的鼻子很灵敏，怎么来的？随着复杂程度的上升，生物体也许能更好地生存，拥有更多后代。如果是这样，自然选择会倾向于选择这样的生物，使其在种群中散布开来。例如，哺乳动物通过鼻子里神经末梢上的受体与气体小分子结合，可以闻到很多物质的气味。这些受体的基因在百万年间不断复制，产生新的突变，允许动物闻到更多的气味。老鼠和狗都是特别依赖鼻子的动物，它们都拥有1 000多个受体基因。另一方面，复杂性有时也会成为一种负担。例如，如果突变导致脖子的脊椎骨形状发生改变，使头部的转动更加困难，自然选择就会阻止这种突变在种群中蔓延。也就是说，带有这种性状的生物体通常在繁殖之前就会死亡，因此，这种有害突变无法遗传下去，很快会被淘汰。在这一类事例中，自然选择阻止了复杂性的提高。与标准的进化理论不同的是，麦克西亚和布兰登在不存在自然选择的条件下，也观察到了复杂性的增加。他们认为，这是生物学的一个基本法则，也有可能是唯一的法则，他们称之为零压力进化法则(zero-force evolutionary law)。
实验室中的果蝇，能进化出在野外无法生存下来的性状“零压力进化法则”最近，麦克西亚和杜克大学的毕业生利奥诺尔·弗莱明(Leonore Fleming)以果蝇为实验对象，对零压力进化法则进行了验证。一个多世纪以来，科学家一直在饲养用于科学实验的果蝇。在实验室的环境中，果蝇过着舒适的生活，有稳定的食物供给和恒温的环境。与此同时，与之对应的野生种必须与饥饿、天敌、寒冷和高温做斗争。因此，自然选择效应在野生果蝇中是十分强烈的，以去除让果蝇无法应对众多挑战的突变。相比之下，在实验室受保护的环境中，自然选择效应往往是十分微弱的。根据零压力进化法则，我们可以做出明确的预测：在过去的一个世纪里，实验室中的果蝇更少受到自然选择的影响，从而保留了不利突变，因此相比野生型会有更大的复杂性。弗莱明和麦克西亚使用了916个实验室的果蝇品系来验证这个法则。他们用许多不同的标准测定了每个种群的复杂性。最近，他们在《进化和发育》(Evolution & Development)杂志中，报道了实验结果：实验室果蝇的确比野生果蝇具有更大的复杂性。有些种类有不规则的腿，有些果蝇的翅膀上有不同的颜色和图案，就连触须也有不同的形状。从自然选择中解放后，果蝇的复杂性明显增加，与零压力进化法则预测的一致。对“零压力进化法则”的反对意见尽管部分生物学家赞同零压力进化法则，史密森尼自然历史博物馆的首席古生物学家道格拉斯·欧文(Douglas Erwin)却认为，这个法则有一些严重错误。他强调：“其中一条基本假设是错误的。”根据零压力法则，在不存在自然选择的条件下，复杂性会增加。但这一法则正确的前提是，生物体真的能够超越自然选择的影响而生存。欧文强调，在现实条件下，即使这些果蝇被科学家们娇生惯养，自然选择仍然发挥着作用。对于果蝇这样的生物，如果它们生长发育良好，会有上百个基因相互作用，将一个细胞(受精卵)变成很多细胞，形成不同的器官，并这样发育下去。一些突变会影响这个过程，阻止果蝇长成能够繁殖的成体。一个生命体可能在没有外部选择的条件下生存，也就是说，没有外部环境决定谁赢得或输掉进化的比赛，但这时，它仍然要受到发生在内部的选择作用。欧文认为，麦克西亚和弗莱明的新研究并没有为零压力进化法则提供证据，“因为他们只考虑了成体的变异”。尽管在成熟前就死于发育失调的突变体是科学家所关注的，但是麦克西亚和弗莱明却没有研究这些突变体。欧文和其他反对者提出的另一条反对理由是，麦克西亚和布兰登定义的复杂性与大多数人定义的复杂性不同。毕竟，眼睛不只是多个部分简单地堆积在一起——这些部分还会共同发挥作用，每一部分都行使一个特定功能。但是麦克西亚和布兰登则认为，他们所检测的复杂性会导致其他复杂性的产生。麦克西亚提到：“实验中，我们在果蝇品系中看到的那种复杂性，可为自然选择提供一些‘基本素材’，构建出复杂结构，帮助生命体生存下去。”
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