Science：自然选择怎样影响有机体的适应能力和进化

来源：集智俱乐部

导语

绿色荧光蛋白最早在水母体内发现，这种蛋白在蓝光或紫外线照射下，会发出绿色荧光。最近来自苏黎世大学、圣塔菲研究所等的研究者在Science发表文章，通过对荧光蛋白的定向培养实验，发现蛋白质的演化受到选择压力大小的影响。经典的达尔文进化论认为自然选择引起生物适应性变化，进而发生进化，而这项研究则认为适应和选择可能是同步进行的。

自然选择的杰作随处可见——松果球表面的油脂是为了抵御鸟类和啮齿类动进化而来的；长颈鹿的脖子为其提供了觅食高处食物的优势。我们知道自然选择影响了动植物的演化，以及它们对外界环境的适应能力。但是，自然选择也会影响有机物分子的演化么？能影响到什么程度呢？

于12月4日发表在 Science 杂志上的文章就这一问题，给出了令人惊讶的答案。该文章由供职于苏黎世大学和圣塔菲研究所的 Andreas Wagner 所领导的研究团队所发表，他们对一种海洋无脊椎动物的黄色莹光蛋白进行了自然选择的实验。

论文题目：

Selection enhances protein evolvability by increasing mutational robustness and foldability

实验目的是让黄色荧光蛋白演化为绿色荧光蛋白，其中一组处于较强的环境压力下、另一组处于较弱的环境压力下。该研究发现，处于较强的环境压力下的蛋白质在这场竞赛中胜出。

强自然选择：与其优柔寡断不如大刀阔斧

在自然界，我们会发现生物的种群中能表现出多种表现性，虽然这些生物个体的表型之间有差异，但这种差异在自然界的环境压力下中并不具备很强的优势，带来的收益较少。因此，这时物种的演化并不是主要受到自然选择的影响，而更像是在随机演化。这一理论就被称为弱自然选择（weak selection）理论。我们可以利用弱自然选择理论解释这种多样性的存在，而且演化生物学领域普遍认为弱自然选择能增强鲁棒性，从而对有机体的演化能力具有优势。

不过 Wagner 认为，与大众所认知的不同，在自然选择中，并不是弱选择具有优势。在他们的研究中有一个意外的发现，强自然选择能增强鲁棒性，这才是能否成功演化的关键。

图1：自然选择驱动的演化，强自然选择能让种群演化绕过适应性的低谷，从而更快地到达适应能力高、鲁棒性强的山顶。

适应性景观（adaptive landscapes）在演化理论中占据着重要的位置。如上图所示，横向的坐标表示的是多种性状，而纵轴则表示适应能力的高低。上图假设较强的自然选择能带来较强适应能力，从而让种群的演化得以绕过适应性的低谷。这一点其实与梯度下降等函数求解算法的改进方案类似。

实验证明：自然选择促进物种适应能力

图2：实验流程示意图

该实验一共分为两个阶段。

第一阶段，研究者对能表达黄色荧光蛋白的大肠杆菌进行了4代定向的演化培养，并在不同的演化压力下对其加以筛选（以浅黄色标记）。其中，S表示的是强自然选择（strong selection），W表示的是弱自然选择（weak selection），而N则是不做自然选择（no selection）。从上图Phase I的三个表格中我们可以发现，与第一代相比，第四代的基因表现都受到了影响。

而在第二阶段的绿色莹光蛋白筛选中（以浅绿色标记），实验者仅允许0.01%的大肠杆菌通过筛选。

通过这样的筛选实验研究者发现，强自然选择下的蛋白质突变也更加稳定、鲁棒。生成的蛋白质也能够高效地折叠、表达其功能，因此强自然选择能促进新表现型的固定。 

该论文第一作者、苏黎世大学的 Jia Zheng 认为，这样的研究结果可以说是一个惊喜。因为结果表明，自然选择的适应性与鲁棒性并不冲突。虽然突变会损害蛋白质结构的稳定性并影响蛋白质的正确折叠，但能增强鲁棒性的突变会减轻这种影响。鲁棒性高的蛋白质能发挥其功能的机会就更多，也就能演化出新的性状。 

“据我所知，这是第一个证明了自然选择可以促进物种适应能力的实验。”Wagner 表示，“虽然演化理论至今仍受人质疑，但是我们不仅从化石中看到了物种演化的痕迹，现在也在实验室中真实地观察到了这一现象。” 

长期以来，生物的演化能力本身是否能够演化就是一个备受争议的话题。一些人认为自然选择并不能直接的影响到物种的演化，而是通过适应性来间接地实现物种演化。Wagner 希望他们的研究对结束这一争议有所帮助。Wagner 说：“现在，我们认为，适应性和自然选择会同时存在。”