一项重大研究正在挑战进化论中最具影响力的观点之一：即大多数成为永久性的遗传变异本质上是中性的。密歇根大学的研究人员发现，有益突变实际上远比科学家长期以来的假设更为普遍。令人费解的是，这些有利突变很少扩散至整个种群。他们给出的答案是：大自然在不断改变规则。
密歇根大学的一项研究对这一图景提出了挑战。这项研究由进化生物学家张建志领导，研究表明有益突变可能比长期存在的理论预测的要普遍得多。但有一个问题。许多有益突变可能持续的时间不足以成为永久性的。
一项重要的进化理论面临新考验
在进化过程中，突变随机产生。有些消失了。另一些则扩散，直到种群的每个成员都携带它们，这一过程被称为固定。
半个多世纪以来，分子进化中最具影响力的观点之一是分子进化的中性理论。该理论最早提出于1960年代，认为在基因和蛋白质水平上，大多数固定的遗传变化是中性的。按照这一观点，有害突变通常被自然选择淘汰，而真正有益的突变如此罕见，以至于大多数持久的分子变化预期都是中性的。
张和他的同事们着手检验该理论背后的一个关键假设。有益突变真的那么稀缺吗？
他们的研究结果表明答案可能是否定的。
有益突变可能出乎意料地普遍
利用来自他们自己实验室和其他实验室的大规模深度突变扫描数据集，团队研究了酵母和大肠杆菌等模式生物中许多突变的影响。在深度突变扫描中，科学家在基因或基因组区域中制造许多突变，然后测量这些变化如何影响生物体。
研究人员追踪了许多代的生物体，并将它们与野生型（即在自然界中最常见的版本）进行比较。通过测量生长情况，他们可以估计一个突变是有益、有害还是几乎没有影响。
他们发现，在他们检查的氨基酸改变突变中，超过1%是有益的。这听起来可能很小，但在进化理论中却是巨大的。如果这么多突变是有益的，团队计算出超过99%的氨基酸替换应该是适应性的。基因进化也应该比科学家在自然界实际观察到的要快得多。
这种不匹配迫使研究人员重新思考他们的一个假设。他们得出的结论是，问题可能在于环境并非静止不变。
进化追逐移动的目标
一个突变在一种环境中可能是有益的，而在另一种环境中可能是有害的。如果环境在有益突变扩散到整个种群之前发生变化，该突变可能会失去其优势，甚至成为一种负担。
"我们说的是结果是中性的，但过程不是中性的，"密歇根大学生态与进化生物学教授张说。"我们的模型表明，自然种群并没有真正适应它们的环境，因为环境变化非常快，而种群总是在追逐环境。"
团队将这一框架称为"拮抗多效性的适应性追踪"。通俗地说，这意味着种群可能不断响应变化的环境，而许多突变具有取决于环境的权衡。
今天提高适应性的突变明天可能会降低适应性。因此，进化可能充满了从未成为永久性的有益变化。
酵母实验展示了条件变化时会发生什么
为了验证这一想法，张的团队比较了两组酵母在800代以上的情况。一组在稳定的环境中进化。另一组在由10种不同生长培养基组成的变化环境中进化。
变化环境组在第一种培养基中度过了80代，然后在下一种培养基中度过80代，依此类推，直到也完成了800代。（每代持续3小时）
研究人员发现，暴露于变化条件的组中，有益突变要少得多。有益突变仍然出现，但它们通常没有足够的时间在条件再次变化之前扩散到整个种群。
"这就是不一致性的来源。虽然我们在特定环境中观察到大量有益突变，但这些有益突变没有机会被固定，因为当它们的频率增加到一定水平时，环境就发生了变化，"张说。"那些在旧环境中有益的突变在新环境中可能变得有害。"
为什么完美适应可能无法实现
这些发现指向了一种更加动态的进化观。种群可能经常被困在追逐不断变化的条件中，而不是稳步迈向生物体与其环境之间的完美契合。
张说，这一观点对包括人类在内的生物具有广泛的影响。
"我认为这具有广泛的影响。例如，人类。我们的环境发生了如此大的变化，我们的基因可能不是最适合今天的环境，因为我们经历了许多其他不同的环境。一些突变在我们的旧环境中可能是有益的，但与今天不匹配，"张说。
他补充说，在任何种群中观察到的适应程度可能取决于其环境最近何时发生变化。
"无论何时观察自然种群，取决于环境上一次发生重大变化的时间，该种群可能适应得很差，也可能相对适应得较好。但我们可能永远不会看到任何种群完全适应其环境，因为完全适应所需的时间几乎比任何自然环境能保持恒定的时间都要长。"
科学家研究突变方式的更大转变
中性理论出现于生物学的一个转折点。在1960年代之前，科学家通常通过检查生物体的形状、结构和物理特征来研究进化。随着研究人员开始对蛋白质进行测序，后来又对基因进行测序，他们可以在分子水平上研究进化。
这一转变揭示了中性理论能够很好解释的模式，包括为什么许多遗传差异似乎随时间稳定积累。密歇根的研究并没有抹去这段历史。相反，它提供了一种方法来调和两个看似矛盾的观察结果。
一方面，当科学家比较基因组时，许多被固定的分子变化仍然看起来是中性的。另一方面，实验表明有益突变在特定环境中可能很丰富。张的团队认为，如果有益突变通常是暂时的，这两者都可以是真的。
进化遗传学的最新研究继续强调变化环境的重要性。一篇关于快速变化条件下适应性的2026年综述强调了等位基因频率和性状的变化如何严重依赖于可用的遗传变异。其他酵母研究也表明，适应性可以由环境压力塑造，在一种环境中有益的突变在其他环境中可能带来代价。
这些发现共同强化了进化生物学中一个日益增长的主题。突变的影响并不总是能够孤立地理解。它可能取决于环境、生物体的历史以及条件变化的速度。
警示与下一个问题
张指出了一个重要的局限性。研究中使用的大部分数据来自酵母和大肠杆菌，这些单细胞生物使得测量突变的适应性效应更容易。需要更多来自多细胞生物的深度突变扫描数据，以观察相同的模式是否适用于动物、植物和人类。
团队还计划研究为什么即使环境保持恒定，生物体也需要很长时间才能完全适应。
该研究由美国国立卫生研究院资助，发表在《自然·生态与进化》上。其他作者包括前密歇根大学研究生宋思亮和沈旭康，以及前密歇根大学博士后研究员陈飘飘。
目前，这项工作指向了一个引人注目的可能性。进化可能不太像稳步攀登至完美，而更像是在追逐一个不断移动的世界。