适者降临

 世界够大，时间够多

 1904年春天，任职于加拿大麦吉尔大学（McGill University）、年仅32岁的新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford），在世界范围内成立了早的科学组织伦敦皇家自然知识促进学会，并举办了一场演讲，演讲主题为“放射现象和地球年龄测定”。

 当时的科学家对《圣经》里认为地球年龄只有6000年历史的说法早就嗤之以鼻了，广为认同的年龄测定是由另一位物理学家威廉·汤姆森（William Thomson）计算出来的，而他更为人熟知的称呼是“开尔文勋爵”。开尔文勋爵用热力学定律和地表导热系数测定出地球大约有2000万年的历史。

 从地质学的角度来看，2000万年并不算很长，然而它的影响却非常深远。假如按照今天火山运动和地貌侵蚀的速度来算，2000万年对于地球独特地貌景观的塑造根本不值一提，但达尔文提出的以自然选择为基础的进化理论却成了直接受害者。达尔文曾说，“威廉·汤姆森先生对地球年龄的测定极度困扰了我”，

 因为他知道地球生物从上一次冰河世纪结束后就没有发生过太大变化。据此达尔文推测，创造所有生物所经历的岁月必定非常悠久，不管是现存的还是已经成为化石的，2000万年对于创造一个多样的生物界是远远不够的。

 卢瑟福在发现放射性元素半衰期现象的几年后，逐渐发现开尔文勋爵的说法是错误的，他曾回忆道：“我走进演讲大厅，里面非常昏暗，但我还是在观众席中发现了开尔文勋爵，感觉甚是尴尬，特别是在讲后一段关于地球年龄的部分时，因为我们的观点是相互冲突的。放射性元素会发生衰变并在衰变过程中释放巨大的能量，这类元素的发现使得我们对地球年龄的测算更加准确了。生物在地球上的起源时间得以大大提前，地理学家和生物学家提出的进化过程纵使缓慢，也成了可能。”

 开尔文勋爵逝世于1907年，次年卢瑟福获得了诺贝尔奖。截至19世纪30年代，用放射性测量法估算出的地球年龄大约是45亿年，于是生物有了足够的时间在缓慢的进化过程中创造出多样性和复杂性，达尔文的进化理论也得以保全。

 然而，真的是这样的吗？

 作为自然界出色的捕食者之一，游隼（falco peregrinus）是完美生物的代表。它有着极度轻盈的骨骼和健壮的肌肉，也是目前地球上飞行速度快的动物。在旋转俯冲时，隼的飞翔速度可以超过每小时200千米。当隼俯冲而下用利爪抓住猎物时，由极高时速带来的冲击力几乎可以瞬间将猎物置于死地。即使不能，它也可以用锐利的喙折断猎物的脊柱。

 游隼有一双锐利的眼睛帮助它们迅速捕捉到活动的猎物。隼的视力是人眼的5倍，也就是说就算在1.5千米之外，它们也能看清楚一只鸽子。和其他的捕食者一样，隼有一种所谓的瞬膜结构，又称“第三眼睑”。瞬膜有点像挡风玻璃，能在高速飞行时帮助阻挡飞尘并保持眼球湿润。隼的眼睛还拥有更多的光受体及视杆细胞，使它能在昏暗的光线下看清事物，甚至看到紫外线。

 大自然的创造充满了神奇之处，但更奇妙的是，每一种不可思议的生物特性都是从一个极小的分子开始的，在漫长的世纪进化中，经过无数次的演变，再交由大自然精挑细选。游隼的喙、爪子和羽毛的主要成分同人类的毛发和指甲一样，都是一种叫作角蛋白的蛋白质分子。色觉主要依靠视蛋白，而视觉的敏锐性与晶状体蛋白息息相关。

 大约在5亿年前，世界上出现了一种能够合成晶状体蛋白的脊椎动物，而视蛋白在7亿年前就已经出现了。它们出现的时候，生命已经在地球上居住了超过30亿年。对于那些复杂的生物大分子而言，30亿年的时间听起来就比较符合情理了。每个视蛋白和晶状体蛋白都是由20种氨基酸按一定顺序结合形成的多肽链，再由一条或一条以上的多肽链按照特定规则结合形成高分子化合物。如果只有一种氨基酸能够感知光波或是构成透明的晶状体，那我们要从多少条含有数百个氨基酸的多肽链中才能筛选出我们需要的那条呢？假设一条氨基酸链上有两个氨基酸，那么一个氨基酸有20种选择，第二个也是，如此一来，总共将会有202种氨基酸链的可能组合。如果一条氨基酸链上有三个氨基酸，那么组合方式将会是203种可能。以此类推，如果是4个氨基酸组成的多肽，将会有16万种氨基酸的可能排列方式。对于一条含有100个以上氨基酸的蛋白质（晶状体蛋白或视蛋白的链还要更长），可能的多肽链将超过10130种。

 为了让你感受一下这个庞大的数字，我们来举一个例子。宇宙中数量多的原子是氢原子，物理学家估计氢原子的数量可达到1090个，具体来说就是1后面跟着90个0。如此一来，蛋白质的可能数量就不仅仅是宇宙级了，而是超宇宙级：远远超过了宇宙中的氢原子数目。要从这么多可能的蛋白质中找出唯1正确的那条，概率甚至比赢得自宇宙大爆炸以来的每一年的乐透都小。如果亿万种生物从生命出现伊始每分每秒都在寻找那条特定的氨基酸链，那么到现在为止也可能只尝试了10130种蛋白质中极小的一部分，甚至都还没找到视蛋白。

 17世纪的诗人安德鲁·马弗尔（Andrew Marvell）曾叹息，“只要我们的世界够大，时间够多”，为了避免那“无垠永恒的荒漠”，他无心关注时间长河下的自然奥秘，只想和情人享受片刻的欢愉。这里我们对这首诗的关注点在于悠远漫长的时间。在无尽的时光中，自然选择加上生物的变异，迟早会让一种叫游隼的生物进化出那双锐利的眼睛。达尔文进化论的主流观点是，优势性状赋予生物的优势，无论多么微不足道，都将在生物漫长的繁衍生息中被无限放大，这个观点解释了包括游隼在内的所有生物的多样性。

 自然选择的神奇之处是毋庸置疑的，但它也有自身的局限性。自然选择能保留由变异产生的新性状，却不能创造它们。认为变异总是随机的观点，暴露了我们对变异的无知。自然界众多的生物性状，如果没有大自然对于生物进化的助益，其中许多近乎完美的结构可能永远都不会出现，而这种助益正是生物进化的能力。

 过去15年中，在纽约和瑞士苏黎世大学的实验室里，在一群才华横溢的科学家的帮助下，我有幸得以对这些奇妙的自然规律展开研究。我们使用了在达尔文和卢瑟福年代无法想象的先进实验方法和精准的计算技术，希望解释生命多样性和进化能力的来源。目前的研究数据告诉我们，进化的奥秘远远不止我们的肉眼所见。神秘的自然规律隐藏在每个精巧的DNA里，隐藏在每个独一无二而又美丽动人的生命体中。

 这本书的主题就是对那些自然规律的探索。

 [安德烈亚斯·瓦格纳]

 维也纳大学生物学学士，耶鲁大学博士。

 苏黎世大学进化生物学教授，圣塔菲研究所客座教授。

 2011年被评选为美国科学促进会成员，2014年被评选为欧洲分子生物学组织成员。

测试题　进化论的大谜题：自然如何创新？

前　言　世界够大，时间够多

01达尔文进化论的局限

达尔文进化论的局限在于，它无法解释遗传现象。生命起源于何处？更好、更强的适者从何而来？大自然如何无中生有，如何创新？达尔文的进化论是人类历史上杰出的学术成就，但生物进化的秘密远不是达尔文进化论所能穷尽的。生物学在20世纪发生了翻天覆地的变化，现代技术得以带领我们探索生命进化的动力和起源。

02新性状的起源

新性状的出现有赖于新的分子和合成这些新分子的化学反应的存在。生命以及生命背后驱动新性状出现的动力并不是神秘莫测的东西，这种动力本身和生命一样古老。我们还不知道生命到底是如何从简单的形式进化出了如此高的复杂性，但我们知道，生命的开端不是一个自我复制的分子，而是一张新陈代谢的网络。

03宇宙图书馆

一种生物所具有的全部生化反应构成了这种生物的新陈代谢。新陈代谢进化的本质在于重新组合。生命时刻在尝试每一种可能的基因新组合，重新解读，重新编译，然后重新布局代谢遗传，毫不停歇，从而造就并提升着代谢的多样性。新的代谢能力是不断驱动生命拓展前沿阵地的引擎。

04构型之美

蛋白质是生命的驱动者。每种蛋白质的构型都高度复杂，与它们执行的功能相适应。蛋白质的构型维持着生命世界的运转。大自然可以用蛋白质书写不同的文本，更多的文本就意味着更多的构型，参与更多的催化反应，执行更多的功能和完成更多的任务。

05命令与操控

无论多复杂的生物，它的形态和功能都受到调节因子的控制。调节因子占据着某个基因相邻的一小段DNA，一旦它们遇上特定的DNA序列，就会与之结合。调节因子与相应的DNA需要在形态上互补。有些基因表达能被调节因子抑制，有些基因则需要它们激活。调节因子指导着所有生物的发育。调节因子之间相互调控，形成了复杂的网络。

06神秘的建筑师

多变的环境催生了生物的复杂性，而复杂性促成了发育稳态，发育稳态继而造就了基因型网络，后者让进化成为可能，使得生物能够通过演变适应环境的变化、提高自身的复杂性，循环往复，生物进化通过这种方式螺旋上升。这种进化方式的核心在于处在多维空间的基因型网络的自组织性。自组织性是生命绚烂光彩背后的支持者，它是隐藏的生命建筑师。

07从大自然到工程技术

自然进化和技术创新有诸多共同之处，促进自然进化的基因型网络在人类技术进步中同样存在。与自然界类似，科研人员也总是行进在各自领域的前线，他们依赖不断的试错、

人海战术、多起源策略和组合优化，模仿自然的创造能力，实现技术突破和创新。技术发明的精简主义和高雅主义，深深隐藏在现实世界的背后。

后 记 柏拉图的洞穴

译者后记

 《适者降临》向我们展示了一个不曾为人所知的进化世界。借助现代技术的力量，我们得以深入遗传密码的腹地，探索生命进化的遗传机制与前沿阵地！

 关于达尔文进化论没能解释的进化谜题，在《适者降临》中都可以给你答案！

 生命起源于何处吗？

 更好、更强的适者从何而来？

 大自然如何无中生有，如何创新？

 生命到底是如何从简单的形式进化出了如此高的复杂性？

 驱动生命拓展前沿阵地的引擎是什么？

 《适者降临》向我们展示了一个不曾为人所知的进化世界，让人大开眼界，进一步窥探到进化的秘密！

 如果说还有什么比“智慧的进化”更具有争议性的话，那就是“进化的智慧”，《适者降临》中展示的自上而下的生物进化智慧引人注目，令人印象深刻！

 进化生物学家、畅销书《人体的故事》作者丹尼尔?利伯曼，科技史学家、畅销书《图灵的大教堂》作者乔治?戴森，科普作家、畅销书《理性乐观派》作者马特?里德利鼎力推荐！