比如為什麼人都是5根手指,從進化論角度來講,自然只淘汰不適合生存的個體,但是有4根手指,5根手指,6根手指對於生存區別不大,為什麼最後人類就會趨近於都長5根手指。同理,理論上2個肝臟,或可以自己合成維生素C,或有腮的人類為什麼沒有同時存在?


演化中有一個很關鍵的概念是bodyplan的形成,bodyplan可以簡單理解成身體構造,或者理解為生命的藍圖。

人都是5根手指,從進化論角度來講,自然只淘汰不適合生存的個體

這一點沒錯,但是另一方面,有其他數目手指的個體可能根本就不會出生。因為五根手指這個特徵是演化過程中早就已經被固定下來了。脊椎動物演化中兩個非常重要的事件是四足和五指的出現。

The Tangled Bank, https://evolution.berkeley.edu/

像四足,五指這些對生存至關重要的特徵一旦固定下來就非常難改變。儘管生物界存在一些特例,例如馬的前後肢留下了一個指頭,大熊貓的腕骨特化為六指,蛇的前後肢退化等等。相比絕大多數的物種,這些都是演化中的特例,而且在物種內部依然是統一的。

新特徵的出現需要新的基因,現在認為新基因的出現只是通過非常有限的幾種方式,如下圖

Long et al. 2003 文章比較老了,但是很經典

可以看到,基本上所有新基因的出現都依賴於已經存在的基因,也就是說新特徵的出現依賴於已經存在的特徵。而且,問題中提到的特徵明顯是由多個基因調控的,我們不會憑空出現一條合成維生素C的通路,也不太可能把已經退化了的腮的結構重新發育出來。

物競天擇,適者生存是演化的一個方面,演化更需要依賴於已經存在的bodyplan。所以,在很多情況下,不一定是最「有用」的結構留下來。


生態與進化不分家,從生態與進化角度來看,相同物種由於生態位高度相似,會受到凈化選擇(purifying selection)的作用。這是很容易理解的,處於一個生態位的生物,其性狀變化總會被約束在一個狹窄的範圍內,變化太大的不適應這個生態位就會被淘汰了,變化太大而恰巧又適合另一個生態位那麼就成了另一個物種,所以相同物種總會保持一定的同質性。

高等生物很難量化,用細菌來看,假如用基因組平均核苷酸相似性(Average Nucleotide Identity,ANI)來表示相似性,那麼通過對目前測序的所有細菌基因組進行分析,發現種內與種間確實存在一個很明顯的ANI分界線,種內的基因組之間ANI小於95%,種間大於95%,而在90-95%處是最少的,這就是凈化選擇帶來的直接影響[1]

可以看出,兩個物種的基因組要麼被約束在一定的範圍內,要麼分化成其他物種而距離很遠。所以物種肯定具有一定的同質性。

但是下面題注裡面關於人的描述就是另一種情況了。首先,物種具有一定同質性的同時也具有一定的可變性,畢竟即使ANI小於95%也不等於完全相似,而且這僅僅考量的同源基因,要說泛基因組那物種內的可變性也是很大的。至於真核生物,除了生態位的限制,還要受自身系統的限制。高等生物都是一個複雜的系統,即具有一定的可變性,也會具有高度的保守性。

對比海豚和魚,我們可以知道海豚作為哺乳動物一員,他居然可以在外形上與其他哺乳動物差距巨大而與遠緣的魚類很相似,但是作為哺乳動物一員他仍然有些東西無法改變,那就是肺呼吸,胎生等。也就是說對於一個物種或者一個支系的生命系統,他有些東西可以發生很大的變化,但是仍然有些東西是不可以改變的,就像一個房子無論怎麼奇形怪狀他必須得有支撐,所以人是不可能有鰓的,所有哺乳動物這個lineage都是不可能有鰓的。

這時候狗狗的演化就是一個很好的例子了,所有的狗狗千奇百怪,表現出巨大的「異質性」,但仍然是同一個物種,有巨大的同質性,之所以他的異質性被發揮的如此充分,是人類的主動篩選!這給我們一個啟示,就是主動篩選也會促進物種外觀的巨大變化,我們現代人類和幾十萬年前的人類外表差距巨大,這也很可能是由於人類主觀審美帶來的性選擇導致!這是前些年nature的報道,具體文章記不得了。而且事實上不單是人,其他物種也會存在擇偶選擇帶來的選擇壓力導致毛色、叫聲都很同質化,例如很多鳥類等。

事實上根據近些年研究,目前全球的人類都是單系的,親緣關係很近,人科下面只有一個屬和一個種,和人類稍遠的其他類人猿早就在競爭中被智人殺掉了,所以目前人類這個物種的同質性很高,而且可變性並沒有被發揮出來,其實人也是可以有6個手指的,就是拇指開了個叉,現在也會偶爾出現這種新生兒。這是可變性的部分,不危及生命系統的根本也不危及生態位,但是六個手指的不好看啊,他找不到老婆或者老公,基因遺留不下來,更別說擴散了。不遠說,假如秦始皇有六個手指而且強迫所有人以六指為美,現在六指也可能是很普遍的。

最終總結,人或者說其他物種具有一定的同質性原因在於:第一不能危及該lineage生命系統的根本,第二不能危及生態位安全(也即在這個生態位維持基本生存與競爭力),第三不能危機有性生殖中主流性選擇否則將影響基因遺傳乃至擴散。

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回顧:100個最重要的生態學基礎問題?

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參考

  1. ^Jain C, Rodriguez-R L M, Phillippy A M, et al. High throughput ANI analysis of 90K prokaryotic genomes reveals clear species boundaries[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 5114.


平地上蓋一棟新樓,你想怎麼蓋都可以。

平地上蓋了個東方明珠塔。

你想在不推到不影響使用的情況下,修修補補改成白金漢宮……

想都別想。

甚至你想給東方明珠塔加一個球都很難。

生物進化也是一樣。

已經形成的穩定的架構,只能在小地方修補,你想大改幾乎不可能。什麼多一條胳膊,多一個肝臟,都屬於給東方明珠加球的行為,難度太大。


不是「人類就會趨近於都長5根手指」,而是「現存所有人類都是同一對5指祖先的後代」。因果關係搞錯了。

你的兒子長得像你。這是遺傳的基本規律。繁衍的本質就是:「創造一個或多個自己的複製體」。

最早的生物,藍藻、古菌等,用的就是這種策略。創造自己的複製體,不斷複製自己,直到超出環境所能承受的限度。

但是環境是會變化的。如果複製體和模版體完全相同,那麼當環境變化,這種模版體無法繼續生存時,這些個體將全部被淘汰。

這個時候,這些個體裡面有一些有瑕疵的個體。比如某一個酶複製錯誤,產生了別的功能。這些又瑕疵的個體在改變後的環境中活了下來。如果這種瑕疵是可遺傳的,之後產生的複製體,就將不再是前代的無瑕疵個體,而全都是這種有瑕疵的個體。

瑕疵的種類多種多樣,有的可能多一條纖毛,有的可能細胞壁有兩層。各種不同的瑕疵中,只有一種或者數種,挺過了環境的改變,遺傳了下來。其他瑕疵個體全都消亡了。

這就是遺傳、變異與自然選擇。

所以現存的所有生物,都是在複製自身的同時,會產生一些瑕疵的。有的在自我複製的時候,甚至會主動製造瑕疵。(基因的交叉互換,同源重組等)

瑕疵到底是多好還是少好?

都不好,以適應環境的變化速度為最好。

瑕疵太少,演化的速度太慢,當環境劇烈變化時,種羣絕大部分無法適應新的環境,種羣滅絕。

瑕疵太多,後代存活率太低。你以為四隻手比兩隻手更厲害,但四隻手不是兩隻手×2就完了,還需要大量配套的改變。骨骼如何排布?血管神經如何發生?關節適性如何調整?多出來的兩隻手能幹什麼,到底是優勢進化還是畸形阻礙?這些都是問題。當環境穩定時,畸形的機型生存率顯然不如當前能穩定繁衍的機型。如果瑕疵太多,後代生存率將大打折扣。結果就是後代競爭力降低,種羣滅絕。

所以變異,也有一個恰當的範圍。這就是遺傳的穩定性。

以人為例。為什麼人是5根手指?因為所有人類的共同祖先,是一對有5根手指的動物。

5根手指這個形狀有利於生存,所以保留了下來。

而如果要改變這一性狀,比如生出4指或者6指(人類這麼多,這種畸形兒其實還是不少的,畢竟不像其他嚴重畸形那麼危害生存),對生存的幫助不大,甚至有害,很難穩定地遺傳下來。

6指畸形比5指更難找配偶,有些異性僅僅因為這個畸形就直接將你pass。6指畸形需要有明顯的生存優勢,才能將這個形狀穩定遺傳下來。但6指畸形顯然沒有什麼生存優勢,所以6指畸形哪怕正常結婚,也都希望自己有一個5指的正常孩子,會對孩子進行篩選。比如對6指後代缺乏關愛,而更關愛5指的正常後代,導致6指後代生存和繁衍更加困難。或者還有,在現代使用B超打胎,在古代使用殺嬰的方法,直接扼殺6指後代。

另外,如果只說指頭數量的話,偶蹄目的牛羊都是4個指頭,奇蹄目的馬甚至只剩了一個指頭。這就是指頭減少對生存有利,於是少指頭的形狀保留,指頭越來越少。

更不用說其他更嚴重的畸形,甚至連遺傳下來的機會都沒有,連繁衍的機會都沒有,可能剛出生就死了,或者甚至發育不成活的胎兒。

但是一些無關緊要的變異,或者對生存有利的變異,就很容易保留下來。比如個個人種的不同膚色,就是膚色變異保留的結果。比如我們漢人極低的狐臭率,就是腋下大汗腺消失的變異被保留的結果。

不同地區的人種差異還是很大的。不過暫時還在同一物種範圍內,大家可以通婚生出混血兒童。這是因為全球所有人類相互分離的時間還不算太久,自然選擇之下,積累的變異還不足以產生生殖隔離。

而人和黑猩猩,就有生殖隔離了。

人類和黑猩猩擁有共同的祖先,數百萬年前,一對猿類夫婦,同時生出了人類和黑猩猩的祖先,並分別繁衍壯大,在自然的篩選下,演化出了不同的物種特性。這種差異隨著代數的增加,不斷累積,兩羣後代的差異越來越大,雙方即使重新通婚,基因的巨大差異下,也無法再產出能夠正常生長的兒童。於是我們就說,這兩個物種有了生殖隔離。同時,我們將「人類」和「黑猩猩」稱為了兩個不同的物種。


因為DNA雙螺旋結構能保證遺傳有足夠的穩定性


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