一世自然世界创造性？看看它。看看热带鸟类的辉煌羽毛，叶子的不同图案和形状，微生物的狡猾的策划，令人眼花缭乱的攀登，爬行，飞行，游泳。看看生活的“宏伟”，“无尽的形式最美丽，最美妙”，就像达尔文把它一样。这不足以说服你吗？
但这些奇迹不都是盲目摸索的产物吗达尔文的进化论就是那台无意识的机器，它会随机抽取变异，然后通过自然选择进行筛选?嗯,不完全是。你不必是一个愚昧的神创论者，甚至也不必是天意的信徒，你就可以争辩说，达尔文的惊人理论并没有完全解释为什么大自然如此神奇，充满创造力。“达尔文的理论无疑是他那个时代，也许是所有时代中最重要的智力成就，”苏黎世大学的进化生物学家Andreas Wagner说。但是进化论最大的谜团却没有在他的理论中找到。他甚至都没办法解决这个问题。”
瓦格纳正在谈论的是进化创新如何：正如他所说的那样，“生活世界如何创造。”自然选择为对环境挑战的有效解决方案进行了令人难以置信的强大的思考方式。但它无法解释所有这些变化来自的地方。正如生物学家Hugo de Vries在1905年写道，“自然选择可以解释生存最适合，但它无法解释到来最适合。“在过去的几年里，瓦格纳和一些其他人一直开始了解进化创新的起源。借助他们到目前为止的调查结果，我们现在可以看看如何达尔文进化有效，但为什么它有效：是什么让它成为可能。
一种受欢迎的误解是，进化做一些新的东西是一个新的东西是一种基因的随机突变 - 当基因被从一代到另一代复制而这样做的错误。大多数这样的突变使事情变得更糟 - 基因编码的特质对生存的效果较低 - 有些是致命的。但是，一旦在蓝色的月亮（争论之后），突变将增强特征，幸运受援的更大的生存前景将通过人口传播受益突变。
但问题是，这些特征在一般情况下并不能很好地映射到基因上:它们产生于许多基因之间的相互作用，这些基因在复杂的网络或“基因回路”中相互调节彼此的活动。不管怎样，你可能会想:进化有足够的时间，它最终会找到“好的”基因回路。但数学结果却并非如此。
例如，参加进化发展生物领域的发现，即许多复杂生物的不同身体计划，包括我们，没有来自不同的基因，而不是来自不同基因相互作用和在同一基本电路中的不同网络，称为霍可苏基因电路。为了从蛇到一个人，你不需要一堆完全不同的基因，而是只是一种不同的布线模式，基本上是同类的霍尔基因电路。对于这两种脊椎动物，电路中有大约40个基因。如果您考虑到这些基因可能会彼此调节的不同方式（例如，通过激活或抑制），您发现可能的电路的数量超过10700．这是很多，超过可观察宇宙中的基本颗粒的数量。那么，什么是进化盲目地发现其对霍尔基因电路的可行的“蛇”或“人类”的性状（或表型）的机会？地球上的进化如何管理克里克鱼的赫洛网网络来创造我们？
您完全可能无关的哪个基因如此多（在原因内），因为他们所做的工作更像是它们被嵌入的网络的属性。
基因回路星系并不是进化为了创新而必须导航的唯一令人难以置信的广阔领域。同样的问题也适用于代谢网络。有机体不得不想方设法从手边的任何燃料中获取能量——微生物的代谢主要靠葡萄糖、乙醇或柠檬酸等化合物进行。理想情况下，它们的酶代谢机制应该不只依赖其中一种酶，这样它们就有更多的生存选择。但是适应其他燃料有多容易呢?即使是一个相对较小的常见代谢燃料列表，这种可能的代谢的数量也是天文数字。
蛋白质发生相同的组合选择爆炸，其是由诸如链中粘合在一起的多个氨基酸和折叠成特定分子形状的分子。在天然蛋白质中发现了20种不同的氨基酸，并且对于蛋白质仅仅是100个氨基酸长（这是小的），排列数量为10130.．然而，到目前为止，40亿多年的演变只提供足够的时间来创造10次50.不同的蛋白质。那么地球上的如何找到那些工作的东西？
最后有RNA。该分子曾经考虑过Mere继续在将基因（称为碱基对）中的一系列化学性构建块转换为催化生物化学反应的蛋白质中的一系列氨基酸中，现在得到了更多的状态。对于一件事，因为通过在序列中的信息和蛋白质中通过折叠成用作化学催化剂的形状来模仿两个基因，RNA是策划最早寿命的多任务分子的最佳候选者。更重要的是，我们现在知道RNA分子是基因活性的重要调节因子：一些基因通过它们编码的RNA分子与他人相互作用，这可以充当开关以向上或向下转动其他基因的表达。然而，与RNA的进化创新也面临着组合选择的荒谬性。
在所有这些情况下，问题是一样的，并指出，随着瓦格纳所说的，这是一个“肮脏的秘密”背后的达尔文进化理论和遗传学的现代综合成功。当缺乏探索的手段甚至是少数选项时，进化如何找到可行的解决方案？演进如何从现有的解决方案找到它的方式，以便是可行的新的一个 - 它如何创造？答案至少部分地是一个简单的：它比看起来更容易。但只有进化过程探讨的景观探索具有显着的结构，而且达尔文和他的继任者都没有预期将达尔文主义合并达尔文主义的继承者。
铸造十亿蚊帐
首先要开始探索进化创造的人之一是奥地利科学家彼得舒斯特。（他是那些必须签名的研究人员之一，因为它是不可能决定他是物理学家，化学家或生物学家。）因为他对生活开始与RNA的可能性的兴趣-Called RNA世界 - 在20世纪70年代Schuster开始探索RNA可以做些什么。为了用作催化剂，RNA分子需要折叠成正确的形状。与蛋白质一样，这种形状由分子的构件块的序列确定。实际上这是一个基因型对表型问题，基因型是RNA的序列和其折叠形状的表型。表型决定了如何为其环境提供有机体，它是选择行为的地方。该选择最终在基因型中注册 - 允许特性传递给后代的基因 - 但表型和基因型之间的连接保留了许多谜团。可以说是我们现在进入的基因组时代最大的谜团，其中它被意外地难以识别许多遗传性表型特征在基因型中编码的位置。
在20世纪90年代，舒斯特和他的同事们设计了一个计算机程序，可以根据RNA的序列预测其形状的最简单特征(它的二级结构，即链的部分如何通过碱基配对粘附到其他部分)。对于有100个碱基的RNA，大约有10个碱基23.这种可能的形状。但是，显着的是这些形状及其序列与之相关的方式。
天真地，您可能期望具有类似形状的RNA，因此提出的表型，以共享类似的序列，使得可能序列的地图 - 序列空间可以表示为每个网格点对应的多维空间对于特定的序列 - 分为各种“形状王国”（看不到补丁，a）。但这不是舒斯特发现的。相反，具有相同形状的RNA可以依次变化非常广泛：您可以从非常不同的序列获得相同的形状，因此可能是相同的催化功能。但这些表型兄弟姐妹在序列空间的遥远部分中没有完全彼此隔离。相反，具有相同种类形状的RNA在一个在整个序列空间中编织其途中的网络中连接。通过对序列的连续变化，您可以通过连续的小变化来从一个序列到另一个序列到另一个序列，仿佛通过站通过轨道网络站。这种变化称为中性突变，因为它们既不适应性有益，也不是有害的。（实际上，即使突变并不严格中立，但略微减少健身，尽可能多的人，他们可以在人口中持续很长时间，好像它们是准中立的。）
这是所有10的情况23.可能的形状。换句话说，该RNA序列空间用该数量的交织网络进行螺纹，所有互锁但很少相交。这意味着如果我们考虑在高维空间中的特定点处的任何给定序列，它具有具有完全不同的形状的大量相邻序列 - 但它仍然可以将步骤逐步突变为具有非常不同的序列类似的功能，只要它留在右轨道上（请不要看补丁，b）。
这告诉了我们关于RNA序列空间的两个关键问题。首先，有很多很多可能的序列，它们都具有相同的功能。如果进化是通过自然选择“寻找”这种功能，那么它有大量可行的解决方案可供选择。第二，虽然空间是不可想象的广阔和多维的，但它是可导航的:你可以中性地改变基因型，而不会失去最重要的表型。所以这就是为什么rna是可进化的:不是因为进化有时间从大量的变异中筛选出有效的，而是因为有太多的变异是有效的，而且它们彼此相连。
西班牙国家生物技术中心的苏珊娜曼鲁亚对RNA序列如何决定的二级结构进行了更复杂的计算研究，这支持这种观点，基因型表型图中存在很多冗余。1她认为这种RNA的特征可能对其在生命起源中的拟议作用至关重要。“多种基因型解决方案的存在以及对精确分子结构进行化学职能的耐受可能在RNA世界的出现方面至关重要，”她说。
蛋白质也有这个属性。不同的生物通常具有具有相同形状和酶促功能（表型）的蛋白质，但通常这些蛋白质通常共同共同占氨基酸的20％。使用简单的蛋白质结构模型，马里兰州国家健康研究院的大卫莉普曼和W.John威尔堡在1991年表明，为什么这应该是这样的：它们的简化模型蛋白与序列空间中的扩展网络相关联，这些蛋白质可以通过中性遍历一次突变一步。2001年，在哈佛大学安东尼Keefe和Jack Szostak的Anthony Keefe和Jack Szostak在实验上表现出明显的冗余。他们列出了寻找由随机组装的氨基酸制成的蛋白质，该氨基酸可以与叫做ATP的小分子结合，这是活细胞的关键能量储存分子。对于任何有用的工作的蛋白质，例如将其他分子运输或将其催化成新形式，使用ATP作为能量来源。因此，ATP粘合剂是细胞的重要组成部分。Szostak和Keefe利用化学方法从它们的组成部分随机组装了80-氨基酸蛋白，并且能够通过所有变体筛筛选，它们使其成为恰好恰当地粘合ATP的变体。2他们不能做出任何类似于这些氨基酸可能排列的总数。但在它们产生的微小部分(6万亿)中，他们发现了四种ATP粘合剂。这听起来并不多，但如果在这个序列空间的极小采样中已经有四个解，那么在剩余的空间中一定有一个巨大的数字——大约10个93.研究人员估计。
这表明，不断的发展和创造性或创新性的推论，是复杂网络的基本特征，如生物学中发现的复杂网络。
瓦格纳和他的同事发现，这种“进化”（他们称之为稳健）结构是生物复杂性的常见特征。2006年，他和他的邮局JoãoRodrigues开始探讨细菌代谢网络的多功能性大肠杆菌（大肠杆菌)．3.这可能是对所有细菌的最多研究，其新陈代谢的生化途径很好地映射出来。大肠杆菌消耗葡萄糖，并从它所需要存活的所有60左右的所有60左右。但是，如果只改变了那些代谢反应之一，那么这些“邻居”可以大肠杆菌仍然在葡萄糖上存活？有大量的这样的邻居，但摇头和罗德里格斯计算了它们的代谢反应超过1,000，并且发现几百个也可以单独用葡萄糖做成。换句话说，大肠杆菌它的代谢网络并没有被精细地调整以运行在葡萄糖上——许多其他的变异也会起作用。研究人员继续搜索代谢空间，询问邻居的邻居是否也需要葡萄糖。他们发现，他们可以继续通过这个可行的葡萄糖代谢物网络，直到他们到达假设的生物体，它们只与20%的反应共享大肠杆菌．同样，选择是非常多的，所有的选择都是通过可能性空间中的小的中立步骤实现的。进化派出大量的生物去探索这个复杂有序的图书馆，寻找生命问题的答案。当他们偶然发现这个意想不到的“代谢空间”拓扑结构时，瓦格纳说，“我几乎欣喜若狂。”
和基因电路?同样的故事。瓦格纳与物理学家奥利维尔·马丁合作，探索假想的基因调控网络空间。他们寻找不同的网络，通过相互调节组成基因的活动，可以产生相同的基因表达的整体模式，也就是说，相同的表型。4.举一个小例子,三个基因网络中的a、B和C, B关闭基因的表达的相同的结果可以通过B或C抑制。即使只有十多个基因的数量可能网络的交互变得太庞大的穷举搜索,因此，研究人员只能检查空间的一个很小的区域。但结果很清楚:一方面，电路通常有几十到数百个具有相同表型的邻居，而另一方面，超过90%的“线路”差异的电路仍然可以产生相同的表达模式。
这有助于解释基因电路一个令人困惑的方面:它们的健壮性。在20世纪90年代末，斯坦福大学的一个研究小组创造了大约6000种啤酒酵母的突变体，每一种都缺少一个不同的单一基因，他们发现许多突变体和未突变的酵母一样茁壮成长。5.对于许多其他生物来说，同样的证据证明是真实的：你可以将许多个体基因删除没有明显的影响。但如果有很多类似的基因电路，这并不奇怪，这些基因电路与原始工作相同的基因电路。通过这种方式看，鲁棒性是互补的创新：任何可以在大量替代方案中发展新功能和形式的网络都必须对小型变化具有稳健性，因为它几乎肯定会在手头上表现出同样良好的替代方案。该实现提供了过度确定的基因视图的解毒剂：究竟您所拥有的哪个基因可能无关紧要（在原因内），因为它们所做的工作更加是它们被嵌入的网络的属性。
瓦格纳的作品是“真正创新的 - 没有双关语和重要的东西”，西班牙巴塞罗那的基因组法规约翰内斯·杰勒表示。他正试图通过研究基因网络的进化和发育生物学来测试这些想法，这些网络控制果蝇等昆虫等昆虫的生长。“到目前为止，我们的结果同意Andreas的见解，”Jaeger说。他们已经发现，操纵该网络以在连体的顺序和同时形成苍蝇体的段之间，比预期更容易实现 - 它只需需要一些调节机制的调整，而不是基因的批发重组。“这阐述了不同飞行物种中表达模式的大部分差异，”Jaeger说。“各种模式可以由相同的基因组生产。”
进化是自然法则吗?
这些发现揭示了比形成生物系统的进化过程更深层次的生物系统特性。它们揭示了发生这种塑造的地形，并表明这是完全可能的，因为地形具有非常特定的拓扑结构，在拓扑结构中，各组成部分——基因、代谢物、蛋白质或核酸序列连接成巨大的网，延伸到整个多维空间，每一个都错综复杂地编织在无数其他的网络中。
人们可能争辩说，生活世界的原始创造性行为是本身的一代：化学成分，如氨基酸和糖，其包含生命分子。但是现在这似乎很容易，化学的幸福事故可以给出正确的原材料和环境。更难的问题是如何超越那种被动汤以启动达尔文进化。Manrubia认为，这种原始创意步骤本身可能是中性（或准中立）网络的丰富性和互连交织的结果。这意味着，即使对于随机，无生成的RNA序列，也存在发现执行一些有用功能的机会。“从某种意义上说，如果表型在序列空间中足够代表，则可以获得功能，”她说。她的计算机模拟表明，这种RNA序列并不罕见。“在没有进化过程本身的情况下，可以出现充当进化过程的种子的足够好的解决方案。”特别是，在可以复制的序列上击中的公平机会 - 然后您正在上升和运行。“自然选择可以很快将平庸的解决方案变为完全自适应的解决方案，”Manrubia说。
这些想法表明，不仅仅是创新的不变性和开放性，而不是生活本身。
这些组合景观的生物分子的结构，然后使自然能够制作大胆和创造性的创新，而不是永远托付，以便对已经存在的速度变化进行增量变化。进化需要只沿着中性（或至少几乎中性）突变的Web随机散步，而不会损害有机体的适应性，围绕着非常不同的邻居：创新解决方案，适用于需要的选择性压力这种情况强迫它。通过这种中性漂移，有机体可以达到相位空间中的位置，这不会通过原始起始位置的严格适应性突变无法访问。
这种随机漂移在进化中的作用已经很长时间被认可，最近的进化生物学家John Tyler Bonner认为，它可能比以前认为的，特别是对于各种形状和结构的小生物 - 想到微观海洋生物如硅藻和放射性型 - 不一定反映任何自适应微调。6.这种形式的表观创造力和艺术性具有惊人的生物学家和灵感艺术家。现在我们似乎可以理解这种多样性和创造性来自哪里。
更重要的是，WAGNER和其他人提供的新观点可能解决了群体健康与个人之间明显冲突的长期争端。如果大多数突变降低了适应性，有些细菌似乎比个体的突变比个体更为“Wise”。一种过于简单的解释是，许多突变仍然对整个人口有益，因为它们提供了更多的选择，可以适应新的环境挑战。但是，强大的网络上的突变有更多的机会是中立的功能 - 一个特征，这对个人来说都是好的（因为它具有较少的可能性有害突变的可能性）和人口（因为它提供了当需要时适应的新方法）。7.
然而，剩下的问题是：为什么进化选项的空间是否具有这一必不可少的强大的结构？“我们根本不知道为什么基因型网络是交织的方式，”承认瓦格纳。杰西·弗雷德·哈钦森癌症研究中心在西雅图蛋白演变专家展示，也许这是一个问题又回到了前面：“如果存在这种财产，那么进化只能有效地工作，所以这是一个最终进化了这个属性，“他说。但他承认这很难证明。
然而，答案似乎超越了生物学。卡蒂克·拉曼(Karthik Raman)曾是瓦格纳实验室的博士后，现在就职于印度马德拉斯理工学院(Indian Institute of Technology Madras)，他研究了很多相同的问题，即不同电路的功能等效性，不是针对基因，而是针对执行二元逻辑功能的电子元件。通过随机重新布线16个元件的电路，并找出其中哪个元件将执行特定的逻辑操作，拉曼发现它们也有这种可进化的拓扑结构。8.但至关重要的是，这种性质只有在电路存在的情况下才会出现复杂的足够 - 如果组件太少，小型变化会破坏其功能。“他们的复杂性越复杂，他们就越重新加热，”瓦格纳说。这种开辟了使用达尔文原则的电子电路设计的可能性，但它表明，不断的发展性和创造力或创新性的必然性，是复杂网络，如生物学中的复杂网络的基本特征。
Manrubia同意复杂性是关键。“似乎很明显，效率的导航性只能在高维度的基因型空间中实现，”她说。这只是将更多的选择在Reach中 - 因为您有更多的方向即可到达。“随着序列可能的邻居的数量增加，一些邻居的可能性与原始的邻居的可行性增长。”她说，后果是，可能有一个适应性的迫切需要，最大限度的基因组，至少对于居住不同环境的生物：这样，你的鲁棒性比你在复制和维持很多DNA的劳动中获得更多。
这些观点表明，可进化性和对创新的开放性不仅是生命的特征，也是生命的特征信息本身．这是舒斯特有时的合作者、诺贝尔奖获得者、化学家曼弗雷德·艾根长期以来支持的观点，他坚持认为，达尔文的进化不仅是生物学的组织原则，而且是“物理学定律”，是复杂系统中信息如何组织的必然结果。如果这是对的，那么生命的出现似乎并非偶然而是数学上的必然。
菲利普球是作者看不见：看不见的危险诱惑和许多科学和艺术书籍。
参考
1.关键词:RNA神经网络，拓扑结构，表型空间，生物信息学普罗斯一体6.，e26324（2011）。
2. Keefe，A.D.＆Szostak，J.W.随机序列库的功能问题。自然410，715-718（2001）。
3. Rodriguez，J.F.M..＆Wagner，A.复杂代谢反应网络中的进化可塑性和创新。PLoS计算生物学5.e1000613(2009)。
4. Ciliberti，S.，Martin，O.C.，＆Wagner，A.鲁棒性可以在复杂的调节基因网络中逐渐发展，具有不同的拓扑。PLoS计算生物学3.，e15（2007）。
5.Winzeler弹性轴,et al。功能表征S. Cerevisiae.基因组通过基因缺失和并行分析。科学285.，901-906（1999）。
6.邦纳，J.T.进化中的随机性普林斯顿大学出版社（2013年）。
7.瓦格纳，A。鲁棒性在表型适应和创新中的作用。皇家学会的诉讼程序b279.，1249-1258（2012）。
8.拉曼，K.＆WAGNER，A。可编程硬件的进度。皇家社会界面杂志8., 269 - 281(2011)。
