進化本身也在進化？生物適應力加速提升的奧秘

生命總能在看似不適宜生存的環境中蓬勃發展，甚至在快速變遷的生態系統中也能找到立足之地。以微生物為例，這些微小生物為何能如此迅速地發展出抗藥性？像SARS-CoV-2和禽流感（H5N1）這樣的病毒病原體，更是以其快速適應宿主免疫系統變化的能力而聞名。

「生命在解決問題方面真的非常出色。環顧四周，生命的多樣性令人驚嘆，而這一切都源自共同的祖先，這讓我感到非常驚訝。」密西根大學助理教授、該研究的主要作者路易斯·扎曼（Luis Zaman）在一份宣告中解釋道。「為什麼進化看似如此具有創造力？也許這種能力本身就是進化的結果。」

探討生物的可進化性（evolvability）是一個相當棘手的問題，主要是因為它難以量化。例如，進化可能源自於突變，這些突變隨著時間推移提高了物種的適應性，使其在環境中更有生存的機會。但可進化性並不等同於適應性，它更關乎物種未來獲得適應性的潛力。

「可進化性的這種前瞻性特質使其備受爭議，」扎曼補充道。「我們認為它很重要，我們知道它存在，但對於它為何發生以及何時發生，我們還不太清楚。我們試圖弄清楚：能否在更現實的計算模型中觀察到可進化性的進化？」

為了驗證這一點，扎曼與其團隊使用名為Avida的計算框架建立了一個模型，其中包含三種有益的邏輯函式和三種有害的邏輯函式。這些邏輯函式可以理解為紅色和藍色的漿果，在特定環境中可能有益或有害。例如，在模型的一個環境中，紅色漿果對族群有益，而藍色漿果則有毒；在另一個環境中，情況則相反。結果是，族群無法同時在兩種環境中表現良好，而只能在其中一種環境中成功。

團隊隨後進行了一系列情境模擬，並測量了可進化性在每個情境中的變化。在一種情境中，環境保持不變，這意味著族群不需要從食用一種漿果轉換到另一種。在另一種情境中，族群被迫在食用紅色和藍色漿果之間迴圈切換。在這種情況下，團隊發現族群能夠成功地在不同漿果之間切換。特別是，環境的迴圈切換導致族群的「突變」顯著增加，使其能夠成功地在食用紅色或藍色漿果之間轉換。

當研究人員建立了在每種邏輯函式之間迴圈切換的情境時，Avida中的程式會將自己推向新的「突變鄰域」。這些鄰域可以被視為由電腦程式碼組成的多基因路徑。每次環境切換時，路徑都需要重新配置以適應另一種漿果。

「族群最終佔據的突變鄰域——透過進化找到——是那些單一突變能夠重新配置這條路徑的地方，」扎曼補充道。因此，在這種情況下，「突變」發生在程式（其「基因路徑」）中的某個電腦指令（即其「基因」）被改變時。隨著時間的推移，路徑的重新配置最終使電腦程式族群能夠「進化」，從而成功地在紅色漿果和藍色漿果專家「比鄰而居」的環境中生存。

那麼，時間在這種可進化性中扮演了什麼角色？研究人員改變了環境切換的頻率，從族群在一個環境中停留一代，到10代，再到100代。有趣的是，他們發現如果環境變化過快，可進化性並不會增加。然而，他們也發現，即使是長達數百代的迴圈週期，也能產生可進化性的進化和維持。

「一旦族群獲得了這種可進化性，它似乎不會被未來的進化所抹去，」扎曼說。這表明，一旦進化變得更加擅長進化，它很可能不會消失。

這項研究發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。