自然界的睡美人

大自然拥有大量潜在的天赋。动物、植物和微生物拥有无数能力，这些能力大多数情况下并不需要，但却能在环境变化时确保它们的生存。“潜在的创新无处不在，并且是进化的主要驱动力，”进化生物学家和生物信息学家安德烈亚斯·瓦格纳（Andreas Wagner）说。近30年来，他一直在研究生物体如何发展和适应，在实验室里做实验，并用计算来检验他的理论和想法。

丛林中的抵抗力

“潜在创新的存在是显而易见的，”瓦格纳说，他举了委内瑞拉和巴西边境亚马逊雨林中的一个部落亚诺马米人的惊人发现为例。这个民族与世隔绝，直到几年前才几乎与外界没有接触。大约15年前，一群巴西医生和民族学家访问了这个部落，以更多地了解他们的健康状况，并在此过程中采集了粪便和皮肤微生物样本。令研究人员大为惊讶的是，他们发现这些样本中含有对八种不同抗生素有耐药性的细菌。这完全出乎意料，因为这些土著人从未服用过抗生素。

现在，已经多次证实了这种千年耐药性的存在。例如，研究人员在永久冻土中的古代猛犸象骨骼和地下深处的土壤样本中发现了耐抗生素的细菌——也就是说，在抗生素尚未存在的时代就已经存在。这令人惊讶，因为耐药性通常是通过抗生素的使用和使细菌能够抵御它们的新突变之间的竞争而产生的。在描述的情况下则不是这样，那里的耐药性显然已经存在了几千年。“细菌具有潜在的防御机制，可以保护它们免受可能最终摧毁它们的分子的侵害，”安德烈亚斯·瓦格纳解释说。

细菌在压力下

瓦格纳和他的同事什拉达·卡尔维（Shradda Karve）最近进行了一项实验室实验，表明细菌也可以在实验中被诱导发展出对它们没有直接益处的创新特征。为此，科学家们使用了一种抗生素来给肠道细菌施加压力，使它们无法正常繁殖。随着每一代新生细菌的出现，它们都能更好地抵抗抗生素；正如预期的那样，它们产生了耐药性。实验的第二步是将耐药细菌暴露在200多种含有对细菌来说是新型有毒成分的营养溶液中。果然，进化后的细菌也对其中20种它们以前从未接触过的毒素表现出了防御能力。这些耐药性显然是对原始抗生素有益防御反应的副产品。“进化很容易产生创新，”瓦格纳总结道。它们形成了一个储备库，在环境条件发生变化时发挥作用。就像童话中的睡美人一样，它们从沉睡中被唤醒。

事实上，“睡美人”是瓦格纳在他的新书中所称的现象。潜在新天赋的概念令他着迷。一旦你发现了它，你就会在各个方面遇到它。以草为例，这个拥有数千种物种的家族如今在许多生态系统中占据主导地位，并作为重要的粮食作物确保我们的生存。“数百万年来，草的分布都很稀疏，而且并不成功，”瓦格纳说。它们在6500万年前的恐龙时代就出现了。它们的崛起是在数百万年后的气候变干之后开始的。那时，绿色植物能够利用长期以来一直处于休眠状态的特性，比如有效利用水和化学防御机制来对抗害虫。

进化的工作台

对瓦格纳来说，草是创新在赋予其载体在生存方面的决定性优势之前很久就已经产生的重要例证。这也适用于人类的进化；更准确地说是解剖学上的现代智人，他们大约在20万年前出现在舞台上。“这些祖先已经具备阅读和写作的潜在能力，”安德烈亚斯·瓦格纳说。“如果他们当时存在的话，他们还能够开车。”换句话说，早期人类拥有数万年后才被激活的技能。例如，写作和数字是在大约12000年前的新石器时代革命过程中发展起来的，当时人们开始定居下来，并需要记录他们的供应情况。这场文化革命使人们利用了他们大脑中的潜在能力。又一次，变化的环境唤醒了潜在的天赋。

得益于对细胞遗传机制的新见解，大自然如何看似毫不费力地创造新事物正变得越来越清晰。这一过程主要涉及杂交酶和新基因的形成。我们现在知道，遗传装置的组织比50多年前发现DNA和酶形成等相关过程时所设想的更为冗余和混乱。“细胞并不是精心调整的机器。实际上，随机过程起着重要作用，”安德烈亚斯·瓦格纳（Andreas Wagner）解释道。

一个例子是酶，酶在细胞中执行所有重要功能，例如负责抗生素在细菌中的有效性。在酶的情况下，锁和钥匙的形象已经确立，即酶精确匹配一种物质并对其进行修饰的观念。我们现在谈论的是杂交酶，因为许多酶可以调整其结构，识别并修饰一种以上的物质，而不仅仅是其中一种。上述观察到的细菌对未知毒素产生防御能力的现象也源于此。这是因为实验中进化的酶是杂交的，并且还能对其他毒素起作用，而这些毒素是微生物尚未直接产生防御的。这种多功能性是常态而非例外：“大多数酶都是杂交的，”安德烈亚斯·瓦格纳说。换句话说，酶即化学生命过程，以及整个新陈代谢过程都令人惊讶地灵活。

普遍且廉价

染色体中的基因（基因组）的组织也比预期更为流动。自人类DNA测序以来，我们就知道基因组中只有略低于3%的基因是活跃的，即所谓的编码基因。基因组的一大部分充当试验场，其中DNA被转录成主动形式（RNA），并可以随机重新组装自身并尝试新的基因形式。新基因也可以通过DNA的突变和复制而产生；简而言之，新基因在不断形成，并可以在基因组中牢固确立。

“自然界中的遗传创新并非独特且罕见，而是普遍且廉价的，”瓦格纳说。环境的变化可以唤醒这些休眠的创新，并为生物体提供决定性的生存优势。然而，创新也会再次消失。自然界不断产生新的遗传变异，如果它们无用，就会被淘汰。

所有这些都引发了一个问题，即这些休眠的潜力是否会使自然，特别是人类，能够承受全球变暖的严酷考验，或者更具体地说，是热浪和创纪录的高温。关于这个问题，进化生物学家瓦格纳不得不回答：“我对此完全没有答案。”有微生物生活在温泉中，而且也有可能在实验中使细菌进化出一定的耐热性，但这需要成百上千代。对于人类来说，这将需要数万年。因此，我们不能依赖遗传创新通过进化手段来拯救我们免受全球变暖的影响。