Nature：進化會重復發(fā)生
進化通常被認為是一種隨機過程，作用于通過基因變異隨機出現(xiàn)的各種性狀。
已故古生物學家史蒂芬·杰·古爾德表示，如果我們讓進化的時鐘倒轉(zhuǎn)，并“重播生命的錄音帶”，他懷疑“任何像智人這樣的生物是否會再次進化出來?！?/p>
但一項關于竹節(jié)蟲的新研究表明，進化有時會以可預測的方式重復，這有助于我們理解生物如何發(fā)生變化以響應選擇壓力。
法國國家科學研究中心的進化生物學家帕特里克·諾西爾和同事們研究了竹節(jié)蟲的偽裝模式，主要是Timema cristinae。通過對 10 個不同地點 30 年的實地研究數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)重復是竹節(jié)蟲進化的一個關鍵部分。
T. cristinae竹節(jié)蟲長期野外種群中的重復進化。
( A ) T. cristinae的顏色模式變體插圖。( B ) 對隨時間推移高度可重復的進化動態(tài)的預測。每條線代表一個不同的種群，每一種群都表現(xiàn)出可預測的性狀或基因頻率隨時間“先上后下”的波動。( C ) 對隨時間推移不太可重復的進化動態(tài)的預測。與左側(cè)的面板相反，每個種群隨時間表現(xiàn)出不同的性狀或基因頻率變化模式。請注意任何單個時間序列（即種群或重復）內(nèi)的可預測性和它們之間的可重復性之間的區(qū)別。( D ) 1990 年至 2023 年間T. cristinae變體頻率的經(jīng)驗變化。橙線（中位數(shù)）和陰影 [95% 等尾概率區(qū)間 (ETPI)] 表示宿主植物Adenostoma的年平均值。藍線（中位數(shù)）和陰影（95% ETPI）表示宿主植物Ceanothus的年平均值。( E ) 特定種群的形態(tài)頻率隨時間的變化，代表重復進化動態(tài)（每個種群的平均年數(shù) = 14）。結(jié)果顯示了本研究重點關注的 10 個核心種群（即重復）。
自 20 世紀 90 年代以來，諾西爾和同事們一直在加利福尼亞州圣巴巴拉附近山區(qū)的路邊捕捉這種不會飛的昆蟲。
三種不同的竹節(jié)蟲會偽裝自己，要么用白色條紋，要么用純綠色來匹配它們喜歡的寄主植物，要么用罕見的深色。竹節(jié)蟲每年只產(chǎn)卵一次，因此研究中的每一年都代表著新一代的竹節(jié)蟲，沒有重疊。
通過捕獲并記錄了 32,000 多只昆蟲，該團隊可以梳理出這些趨勢——發(fā)現(xiàn)在所有 10 個地理上分散的種群中，綠色和條紋竹節(jié)蟲的頻率每年都以可預測的方式循環(huán)。如果條紋在某一年變得不那么常見，那么在下一年它們就會增加，反之亦然。
然而，隨著時間的推移，融入森林地表的較稀有、深色昆蟲的比例保持相當?shù)颓曳€(wěn)定。
諾西爾及其同事在發(fā)表的論文中寫道：“我們的研究結(jié)果表明，對于同一性狀而言，進化既可重復，又復雜?！?/p>
NFDS 參數(shù)D的估計值及其在研究種群中的重復性。
( A ) 定向選擇下的假設時間序列，同時說明當前和后續(xù)的變異頻率，以及如何使用它們之間的差異來估計參數(shù)D。( B ) NFDS 下的假設時間序列。( C ) 定向選擇與 NFDS 下p和 Δ p之間關系的預測（分別為藍色和紅色）。當p接近于時，NFDS 下預計會出現(xiàn)強烈的負相關。（D ） T. cristinae中的重復時間序列數(shù)據(jù)揭示了 NFDS 的證據(jù)。具體而言，顯示的是每個研究地點的條紋變異頻率與連續(xù)時間點之間條紋頻率的變化。在 NFDS 下，預測存在負相關，正如在此處研究的所有 10 個種群中觀察到的那樣。擬合線與y軸上的零點相交的值（用水平線表示）是 NFDS 下預測的平衡頻率。
這一發(fā)現(xiàn)讓人想起了過去的研究，這些研究試圖理解為什么進化不斷創(chuàng)造（和毀滅）螃蟹，它們有側(cè)向的體型、堅硬的外殼和超大的爪子。研究還表明，其他生物，如刺魚，也有類似的趨勢，一遍又一遍地進化出相同的性狀。
然而，大多數(shù)研究結(jié)果僅來自一個或幾個群體的研究，或短期實驗室實驗，這些實驗的時間不足以捕捉到可能產(chǎn)生有用性狀的基因突變的出現(xiàn)。
這項新研究回顧了數(shù)十年前生命歷史中的決定論和偶然性問題，但它也可能對未來產(chǎn)生影響。未參與這項研究的科學家認為，了解進化有時以可預測的方式進行，可以幫助研究人員預測生物體如何變化，從而管理種群。
但是由于 Nosil 和他的同事只研究了T. cristinae及其近親，他們只能推測其他分類群的結(jié)果可能有什么不一樣，或者動物王國和植物世界的其他部分的進化是否同樣可以預測。
現(xiàn)在確實似乎有大量的例子，從飛蛾和蝴蝶到魚、雀科、綿羊和鹿，這些物種都遵循可預測的進化路徑，回歸到有助于它們生存的經(jīng)過檢驗的性狀。
平衡多態(tài)性與生態(tài)物種形成關系示意圖。
( A ) 生態(tài)物種形成的經(jīng)典觀點，由于環(huán)境之間的不同選擇（此處表示為生態(tài)轉(zhuǎn)變對新棲息地的殖民化），種群之間發(fā)生了強烈的分化。( B ) 平衡多態(tài)性的經(jīng)典觀點，其中不會發(fā)生分化，并且單個種群內(nèi)存在波動。( C ) (A) 和 (B) 中所示過程的組合，其中種群之間存在一些分化，但不像 (A) 中那樣強烈，并且每個種群內(nèi)都存在波動，因此這種情況代表了平衡的生態(tài)型。情景 (A) 至 (C) 中涉及的遺傳結(jié)構也可能有所不同，具體取決于所選擇特征的類型和數(shù)量，因此范圍從許多基因座 ( D )、主要基因座 ( E ) 或結(jié)構變異 ( F )。在T. cristinae中觀察到的情景與(C) 和 (F) 中所示的情景最為接近（橙色框表示強調(diào)），但請注意，此處顯示的是簡單、風格化的極端情況，僅用于說明目的。
譯者注：以下是論文中作者的討論。
跨時間尺度的可重復性
與在微生物中的發(fā)現(xiàn)一樣，我們的研究結(jié)果說明，進化動態(tài)并非由選擇或突變驅(qū)動，而是反映了進化因素之間依賴于環(huán)境的相互作用。一個關鍵因素是所涉及的時間尺度是否允許出現(xiàn)新的突變。
復雜系統(tǒng)中的可預測性和可重復性
我們的研究結(jié)果表明，復雜性和相互作用對于理解生物多樣性至關重要。這提出了一種可能性，即進一步研究進化相互作用的可重復性也可以為更普遍的復雜系統(tǒng)動態(tài)提供見解，涵蓋生命科學、物理科學和社會科學。
