我N小于5毫秒，aHydromantes蝾螈可以把舌头(包括肌肉、软骨和部分骨骼)从嘴里伸出来，抓住飞行中的倒霉昆虫。在两栖动物中，它是速射冠军。青蛙和变色龙的弹道结构比较慢。“我花了大约50年的时间研究蝾螈舌头的进化，”加州大学伯克利分校的进化生物学家戴维·韦克(David Wake)说，“这是一个特别有趣的例子，因为蝾螈的动作并不快，但却有我所知的最快的脊椎动物动作。”在他们的血统中，进化找到了一种更好的方式来完成舌头捕猎。它们看似独特的适应能力似乎是在其他三种不相关的蝾螈物种中独立进化而来的。这是趋同进化的一个例子——不同的物种在面对相同的环境压力时，各自发展出相似的生物适应性。当维克被问到一个进化生物学中存在了几十年的问题时，火蜥蜴是他的最佳例子:如果你能重放“生命的录像带”，进化会自我重复吗?在蝾螈身上似乎是这样:在其他生物身上可能没有。
这个问题是由著名已故的进化生物学家斯蒂芬·杰·古尔德在他1989年的书提出，精彩的生活:伯吉斯页岩与历史的本质，这是一次在人们仍在录制在盒式磁带上录制的音乐时出版的。1这本书讨论了5亿2千万年前寒武纪时期生活在地球海洋中的无数奇怪动物留下的化石，这些动物被保存在伯吉斯页岩中。几乎所有现存的动物都可以追溯到生活在寒武纪的动物，但并不是所有生活在寒武纪的动物都有生活在今天的后代。许多寒武纪物种后来灭绝了，因为它们不适合竞争，或者因为在火山爆发、小行星撞击或其他灭绝事件期间，它们在错误的时间出现在错误的地方。
Gould看到了令人难以置信的动物的多样性，并理解今天的生活会有所不同，历史以另一种方式展开。他建议，随机突变和机会灭绝 - 事件 - 召集了“历史或者历史灾害” - 以及彼此建议，推动一个路径或另一条道路的生命的演变。在古尔德看来，包括人类在内的每一种动物的存在都是一个罕见的事件，如果将生命的磁带倒转到寒武纪并再次播放的话，这种事件就不太可能再次发生。剑桥大学的古生物学家 - 西蒙·康威·莫里斯 - 其在他的书中的古尔古尔兹的古尔斯化石的工作大力引用，强烈不同意这个观点。
在古尔德看来，包括人类在内的每一种动物的存在都是一个罕见的事件，如果将生命的磁带倒转到寒武纪并再次播放的话，这种事件就不太可能再次发生。
康威·莫里斯认为，随着时间的推移，自然选择会导致生物体进化出数量有限的适应地球上数量有限的生态位的能力。这导致不相关的生物体逐渐趋同于相似的身体设计。他说：“生物体必须根据物理、化学和生物世界的现实情况进行自我配置。”。在康威·莫里斯看来，这些限制因素使得如果生命的磁带被重放，进化最终会复制出与我们今天拥有的生物相似的生物，这几乎是不可避免的。如果人类的猿类祖先没有进化出巨大的大脑和与之相伴的智力，他相信另一类动物，如海豚或乌鸦，可能已经进化出了，并填补了我们现在所占据的生态位。古尔德不同意。
两位学者都承认进化中存在趋同和偶然性。相反，他们的辩论围绕着关键适应（如人类智力）的可重复性或独特性展开。与此同时，其他生物学家也开始研究这个难题，并展示了趋同和偶然性是如何相互作用的。了解这两种力量的相互作用可以揭示是否每一种生物都是数十亿年来一连串幸运机会的结果，或者我们所有的蝾螈和人类是否都像死亡和税收一样不可避免。
R密歇根州立大学进化生物学家理查德·伦斯基(Richard Lenski)决定在实验室的可控环境中，实时观察聚合和偶发事件的发生，而不是试图用化石来重建历史。1988年，他分离了一个种群大肠杆菌把细菌放进12个装有液体营养的瓶子里，让它们各自进化。在过去的26年里，他或他的一个学生每隔几个月就会冷冻一份细菌样本。这些冷冻微生物的档案给了Lenski重放的能力大肠杆菌从他愿望的任何一点，生活的卷尺只是通过解冻样品。沿途，他可以检查细菌的如何遗传地和显微镜下可见的方式变化。Lenski说：“整个实验设置为测试如何再现可重复的演变。”
在伦斯基的瓶的11，大肠杆菌细胞生长体积较大，但在一个烧瓶中细菌本身划分成单独的谱系酮与大细胞和其他与小小区。“我们称他们为小商品和拉尔，”伦斯基说。“他们现在已经共存50,000几代人。”在实验中没有其他群体也一样;一个历史偶然事件似乎已经发生了。即使26年后，没有其他的大肠杆菌谱系进化它。在这种情况下，应急似乎赢得了收敛。
2003年，又发生了一次或有事件。人数大肠杆菌在烧瓶中的一个增加至其中通常半透明营养液变浑浊的点。起初连斯基认为，在烧瓶污染，但事实证明，该大肠杆菌它通常只吃溶液中的葡萄糖，已经发明了一种在烧瓶中消耗另一种化学物质的方法，称为柠檬酸盐。15年后，也就是31500代人之后，只有一个人能够食用这种物质。2它的人口规模迅速扩大了五倍。
这种“历史偶然性”给了Lenski和他的研究生Zachary Blount有机会检查它是否会再次发生它会再次发生的可能性。Blount去了冻结的档案大肠杆菌和选择的在从后来发展柠檬酸代谢群体的实验不同时期收集72个样品。他解冻出来，并让他们成长。最终，四出于72个样本的采集的能力。更重要的是，突变发生仅在已经经过几代30,500冻结人口。遗传分析表明，几种基因的确发生了翻天覆地的突变“强化”柠檬酸代谢的进化点之前。换句话说，消费柠檬酸的能力，使那之前它已经来到其他突变队伍。那些在路上形成一个岔路口，改变路径，经过几代人将能够行驶。
早期的，坏的突变是后人的健身必不可少的，也许是因为他们加入到遗传变异以后随机突变可能在采取行动。
长期进化实验，如大肠杆菌项目是已知的，现在已经超过了60,000代，给出了Lenski一个深入数据集，从中吸引了关于演化中的应急和收敛相互作用的推断。细菌在细菌的DNA中变化，使它们更大且能够在烧瓶中增殖更大的群体相对普遍。与此同时，Lenski目睹了“惊人”的偶然病例，其中一个人的人数与其他人完全不同。但是在融合中，他补充说，这些转变并不完全随机。
“并不是所有的事情都是可能的，”维克解释道，不管过程如何。生物体是在遗传特征的框架内进化的生物体不能将杀死它们或阻止它们繁殖的突变传递给下一代。在…的情况下Hydromantes蝾螈，他们的祖先必须克服的严重限制：为了获得他们的弹道导弹的舌头，他们不得不失去他们的肺部。这是因为他们的舌头部分从肌肉，他们的前辈，而不是用来抽吸空气进入肺部派生。现在，以前弱小的肌肉是更大更强。它像包裹在口腔后部周围的锥形骨弹簧，当肌肉挤压，骨生成的力量，激发其骨头出了口沿着舌头。所以，Hydromantes“我们的祖先并不是简单地获得了突变，然后进化出了快速的舌头。相反，这种适应是在一系列突变之后发生的，这些突变首先使这种生物克服了对肺部氧气和浮力控制的依赖。每一个变化都取决于之前的变化。
另一方面，变色龙保留肺部。它们而不是重新制作他们的肺部解剖，他们已经演变了一块胶原蛋白，让他们在猎物中弹起来的舌头。在地面，蝾螈和变色龙舌头汇合，但没有仔细检查。它需要一个变色龙20毫秒，射击其猎物，与之相比Hydromantes”十二五毫秒的烧成时间。为什么变色龙坚持狩猎用这种缓慢的舌头？答案是，他们遇到了一种障碍来趋同进化。变色龙的舌头是足够快，以确保其生存，但他们缺乏“遗传性状的框架”进化蝾螈致命弹道解剖。变色龙已经达到生物学家称之为“自适应高峰。”
我n，其中病毒感染细菌，被称为噬菌体，哈佛大学的生物学家大卫·刘发现自适应峰以及实验。这些尖峰限制生物收敛于一个单一的，优化设计的能力。它们有助于解释为什么不确定性是不经常重复。
刘想知道，如果他给相同的噬菌体组施加相同的压力，它们是否能分别进化出一种特定的酶。他使用一种他称之为PACE的系统，加快了病毒内蛋白质的进化速度。
在实验过程中，不能让刘一直在寻找从研究中除去酶病毒：那些实现的目标，依然存在。其中，有一些比别人“更好”的酶。3.具体来说，它们制造的酶是一种聚合酶，它能识别特定的DNA序列，并帮助将其转化为rna——有些聚合酶能非常精确地识别该序列，有些则不能。就像变色龙相对较慢的弹道舌头一样，这些病毒进化出了一种适应能力，使它们得以生存，但也阻止了它们获得更好的聚合酶。一些病毒被困在较低的峰值上，而一些病毒则爬到了较高的峰值上。
要了解自适应峰值的生物学家的意思，想象一种景观，其中地形代表了生殖潜力的高度和低点。在刘的噬菌体的情况下，不同的群体通过获取各种突变来搜查这种景观。一些落在小山旁边，距离迈克斯特山脉旁边。他们爬上了各自的山脉的越高，生存的越突出。所以，他们在他们面前上升了斜坡。一旦在小峰顶的顶部，病毒就无法移动到更高，更优越的一个。为了到达那里，他们需要爬回，减少他们在每一步中生存的能力。这是一个严峻的挑战，因为最适合的生存是现在的担忧。首先发生哪种突变 - 有机体开始攀登的自适应峰值 - 是一种历史应急，即会聚的进化可以具有非常困难的，如果不是不可能的话的时间克服。
对大肠杆菌适用的道理对宇宙中任何地方的某些微生物也适用。
突变的定时重要的。“创造基因库差异早期的随机事件可以在确定最终有益突变是否允许影响生物体的生存产生深远的影响，”刘说。“那随机性侵蚀演化的再现性。”在这个实验中，应急有超过收敛胜出。过去的事件防止重复性。
密歇根州立大学(Michigan State University)计算生物学家克里斯·阿达米(Chris Adami)和查尔斯·奥弗里亚(Charles Ofria)对数字生物体进行的研究揭示了生命可能克服自适应峰值限制的一种方法。这两人创建了一个名为Avida的计算机程序，在这个程序中，数字生物在实验者设定的环境条件下进化。“阿维人”通过随机获取或丢失一些代码片段来进行变异，这些代码片段可能会让他们解决数学问题，这增加了他们的繁殖能力。
在一个实验中，Avidians被设定为不断发展来解决称为复杂的逻辑问题的能力的任务“按位平等。”只有四个出50个数字种群的进化完成操作所需的代码。4所有成功的种群都是最初携带大量突变(随机的计算机代码片段)的种群，这使得它们更难解决数学问题，因此也更难繁殖。这似乎有违直觉，但Ofria发现，早期的坏突变对提高后代的适应性至关重要，可能是因为它们增加了后来随机突变可以发挥作用的基因变异。
D任何特定事件序列的罕见性是否意味着进化中的重大转变不太可能重复?实验表明这是对的，但康韦·莫里斯坚定地回答说，不是。“如果你说没有这种或那种意外，那就太愚蠢了。问题在于时间尺度。他认为，只要有足够的时间和足够多的突变基因组，自然选择将推动生命朝着最适合生物体生态位的必然适应方向发展，而不管在这一过程中会发生什么意外事件。他相信总有一天，所有的大肠杆菌在Lenski的实验中会进化到消耗柠檬酸盐，刘的所有病毒最终都会爬上适合它们的珠穆朗玛峰。此外，这些实验是在非常简单和受控的环境中进行的，与生命必须在实验室之外适应的复杂生态系统不相匹配。很难说现实世界的环境压力如何改变了结果。
到目前为止，在所有试图回答“生命磁带”问题的尝试中，最大的缺点是生物学家只能根据一个生物圈——地球的生物圈——得出结论。与外星生命的相遇无疑会告诉我们更多。即使外星生物可能没有DNA，它们也可能表现出相似的进化模式。他们需要一些能够传给后代的物质，这些物质能够指导生物体的发展，并随着时间的推移而发生变化。就像Lenski说的，“什么是真的大肠杆菌对于宇宙中任何地方的一些微生物也是如此。”
因此，趋同和偶然性之间同样的相互作用可能会在其他行星上上演。如果外星生命面临着与地球生命相似的进化压力，未来的人类可能会发现外星人已经逐渐进化出与我们一样的智慧。5另一方面，如果彼此建立在彼此的偶然事件，推动生活的发展独特的道路，因为Gould建议，陆地生活可能是非常奇怪的。
古尔德认为，人类代表了“极不可能的进化事件”，作为证据，他指出，类人智能在地球生命的25亿年里只进化过一次。他认为，其他物种进化出类似人类智力的可能性微乎其微。我们可能是宇宙中唯一有知觉的物种，这一想法带来了一些超越生物学的重要含义。“有些人觉得前景令人沮丧，”他在信中写道精彩生活“我一直认为它令人振奋，是自由和随之而来的道德责任的源泉。”
扎克·佐里奇是《科学》杂志的自由撰稿人和特约编辑考古杂志。
参考文献
1.古尔德，S.J。精彩的生活:伯吉斯页岩与历史的本质W.W.Norton＆Company，纽约（1990）。
2. Blount，Z.，et al。历史偶然性和一项关键创新的演化大肠杆菌。美国国家科学院院刊105,7899-7906（2008）。
3.迪金森,B。,et al。利用噬菌体辅助的连续进化对蛋白质进化的路径依赖性和随机性的实验讯问。国家科学院的诉讼程序110年,9007 - 9012(2013)。
4.一个秘密三世,et al。关于有害突变作为适应性进化垫脚石的实验。国家科学院的诉讼程序(2013). 检索自：doi:10.1073/pnas.1313424110
5.康威莫里斯,S。生活的解决方案：孤独的宇宙中不可避免的人类剑桥大学出版社，剑桥（2003年）。
