进化本身的进化：进化如何变得如此擅长进化

进化论研究了生物体如何在几代人的时间里适应环境，但进化本身的进化呢

研究人员长期以来一直质疑为什么生物种群如此善于利用其环境，这是一种被称为“进化性”的特性。例如，想想抗菌素耐药性以及新病毒病原体变化和逃避疫苗的速度

现在，密歇根大学的一项研究表明，进化之所以如此有效，也许是因为进化本身就是可以进化的东西。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上

密歇根大学的进化生物学家、该研究的主要作者路易斯·扎曼说：“生命真的非常善于解决问题。如果你环顾四周，生命中有如此多的多样性，所有这些东西都来自一个共同的祖先，这让我感到非常惊讶。”。“为什么进化看起来如此具有创造性？似乎这种能力本身就是进化出来的。”Zaman说，进化本身是否可以进化是一个问题，因为进化的主要燃料是增加生物体适应性的突变，最大限度地提高了它们在当前环境中的生存能力。但可进化性并不是增加适应性。相反，进化性增加了生物体未来适应性的潜力

Zaman说：“这种前瞻性的可进化性特征使其具有争议性。”。“我们认为这很重要。我们知道它会发生。为什么会发生，什么时候发生，我们还不太清楚。我们试图弄清楚：我们能在更现实的计算模型中看到可进化性的演变吗？”

如何让专家成为通才

为了测试这些想法，Zaman和他的合著者建立了一个由三个奖励逻辑函数和三个有毒逻辑函数组成的计算模型。研究人员说，你可以把逻辑功能想象成红色和蓝色的浆果，它们在不同的环境中是有益的还是有毒的

在模型中的一个环境中，红色浆果对种群有益，但蓝色浆果有毒。在另一种环境中，蓝莓对种群有益，但红莓有毒。扎曼说，这意味着一个种群不可能在两种环境中都“好”——它只能在一种或另一种环境中取得成功

研究人员随后运行了一系列场景，并记录了进化性在每个场景过程中可能发生的变化。在其中一个场景中，环境保持不变：种群从未在吃红色浆果或吃蓝色浆果之间切换。在另一种情况下，人口在不得不吃红莓和蓝莓之间循环

研究人员发现，当他们在这两种环境之间“循环”时，每种环境中的种群都能够在这两个相反的环境之间来回跳跃，并在两者中都取得成功

特别是，环境之间的循环导致种群的突变增加了千倍，这将使它们能够在每种环境中成功地在吃红色浆果和蓝色浆果之间切换

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适应变异邻域

研究人员用来检验进化性的计算框架称为Avida。当研究人员使用Avida创建在每个逻辑函数（由红色和蓝色浆果表示）之间循环的场景时，程序将自己推向了新的突变邻域

Zaman说，你可以把进化的计算机程序看作是由计算机代码组成的多个基因的途径。每次环境波动时，都需要重新配置这条路径来吃新的浆果

他说：“种群最终占据的突变邻域——通过进化发现——是单个突变能够重新配置这一途径的地方。”

当程序（遗传途径）中的一条计算机指令（基因）发生变化时，就会发生突变。随着时间的推移，这重新配置了路径，最终使计算机程序群体能够成功地生活在红莓和蓝莓专家隔壁的社区

研究人员还改变了他们在环境之间循环的频率：他们研究了一个群体在环境改变之前在环境中度过一代人的结果，与10代人相比，与100代人相比。他们发现，如果环境波动过快，他们不会看到进化能力的提高。但有趣的是，即使是相对较长的周期——数百代——也可能导致进化性的进化和维持

扎曼说：“一旦一个种群达到了这种进化能力，它似乎就不会被未来的进化所抹去。”

这意味着，一旦进化变得更善于进化，这种可进化性就会持续下去 More information: Bhaskar Kumawat et al, Evolution takes multiple paths to evolvability when facing environmental change, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2413930121

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences