趋同进化：偶然、必然……还是海市蜃楼？

什么是趋同进化？

一个简单的定义

趋同进化是进化中最迷人的现象之一。 它表明，来自非常遥远谱系、相隔数亿年的物种，可以发展出惊人相似的性状。 这些相似性被呈现为独立进化的结果，引发了所引用的机制是否真的足以解释如此接近的解决方案的疑问。

数百万年重新发明——或重复——同样的奇迹

快速游动以逃避捕食者，在深海感知光线，征服天空，抵抗温度变化， 在缺氧环境中优化气体交换，承受极端压力，在短缺时期节约能量，检测化学信号， 或者伪装以逃避捕食：这些都是环境强加的约束。

根据理论，进化机制没有计划、目标或设计，一代又一代地探索并选择最有效的解决方案。 但当非常遥远的谱系似乎一次又一次地达到相同的答案时，问题出现了：自然真的在重新发明，还是遵循着比我们想象的更有标记的路径？ 一切仿佛进化被推动着，几乎违背自身，去重复它的一些发明。

一种不可阻挡的趋势……或类似的东西

这种现象似乎动摇了完全偶然和随机的进化观念。 它将不再仅仅是偶然的问题，而是一种反复出现的趋势：自然选择，如同一位不屈的工程师，将物种推向有限的一组有效解决方案。 仿佛物质和能量的法则在背景中强加了某些可能的生命形式。 用于飞行的翅膀、用于观看的眼睛、用于中和猎物的毒液……这些都是出现在没有直接联系的谱系中的创新，以至于让人认为自然可能遵循着一本我们只能窥见一斑的说明书。

斯蒂芬·杰伊·古尔德的问题：偶然还是不可避免？

古生物学家斯蒂芬·杰伊·古尔德（1941–2002）将进化视为一个很大程度上不可预测和偶然的过程，但他也承认趋同提出了一个令人不安的问题： 如果某些生命形式不仅是偶然的产物，而且是更深层约束——也许不可避免——的表达呢？ 在他的文章《奇妙生命》中，他想象“重放生命之带”并问道：如果进化史重新开始，我们会再次看到同样的生物出现，或者至少是同样的生存挑战解决方案吗？ 趋同似乎暗示着重复……但也让人怀疑进化中什么是真正属于偶然的。

真正可预测的多样性？

这个想法开启了一个令人眩晕的视角：生命的多样性，尽管表面上丰富多彩，可能落在一个比我们想象的更可预测的框架内。 物理世界的约束将作为过滤器起作用，只允许某些创新出现——那些奇妙地出现在起源非常遥远的物种中的创新。 也许是谦逊的一课，也是邀请我们思考是否存在更深层的规则——仍然鲜为人知——在引导自然的创造力。

生物界趋同进化表——或类似的东西

下表列出了几个常被引用的趋同进化案例，明确了相关类群、其适应功能、分化估计年龄和代表性例子。

视觉的麻烦历史

意想不到的共同祖先

在所有被引用的趋同进化例子中，眼睛无疑是最壮观的，也许也是最令人困惑的。 因为生物学家越探索其起源，简单趋同和显而易见的观念似乎就越复杂。

章鱼和人类的共同祖先是一种原始的双侧对称蠕虫，生活在约5.5亿至6亿年前（晚前寒武纪）。 这种动物没有具有晶状体、视网膜和瞳孔的结构化眼睛，但也并非完全没有视觉装备： 它已经携带了 rudimentary 光感受器、Pax6基因（眼睛发育的主控基因，从果蝇到人类再到章鱼都保守）、 眼睛发育的真正指挥者，以及整个动物谱系共享的祖先视蛋白（所有动物共有的原始光敏蛋白，所有当前视觉色素的分子前体）。

Pax6的作用

正是在这里，趋同的概念变得不那么明显。 当沃尔特·雅各布·格林（1939–2014）在1983年表明，将小鼠Pax6基因注射到果蝇中可以在触角上触发眼睛的形成时， 他揭示了眼睛的基础遗传程序对于相隔数亿年的动物是共同的。 因此章鱼和人类或许并没有从零“重新发明”眼睛：它们似乎各自以自己的方式重新激活了同一个祖先分子工具包，导致了惊人接近的架构。

返祖：对趋同的挑战

什么是返祖？

返祖是指现代生物中重新出现数百万年前消失的古老性状。 这种现象表明，某些性状并非真正被进化“重新发明”：它们可以简单地从基因组中仍然存在但沉默的祖先遗传程序中重新激活。 长出牙齿的鸡、重新出现腿的鲸，或表现出肢芽的蛇，都说明了生命重新激活古老结构而非重新创造它们的能力。

对趋同的影响

因此返祖使趋同进化的解释复杂化：有时被呈现为独立发明的东西，可能只是预先存在的遗传模块的重新激活。 换句话说，某些“趋同”可能不是环境约束强加的新解决方案，而是铭刻在生命深层历史中的古老状态的可能回归。

达尔文奠定的基础依然稳固

达尔文的三根支柱

查尔斯·达尔文（1809–1882）在1859年提出的框架基于三个主要原则：来自共同祖先的伴随修饰的传承、个体之间的遗传变异，以及作为分选机制的自然选择。 这三根支柱今天得到遗传学、古生物学、分子系统学和直接观察的证实。 科学界没有任何严肃的成员质疑它们。

一个被证实并丰富的框架

达尔文抓住了本质，即使他提出的机制已不足以解释一切。 21^e世纪的生物学并不与他的工作矛盾：它扩展、完成并丰富了它，有时超出我们的想象。现代遗传学的贡献和最近的古生物学数据证实了达尔文框架的力量，同时也对其进行了细微调整。

需要记住的：趋同 vs 偶然性

一种可能的可预测性

趋同进化将表明环境和物理法则可以在多大程度上将进化导向相似的解决方案，而非完全交给偶然。 它因此开启了外星智能形式可能在其他地方出现的可能性——而非确定性，如果那里存在类似的约束。 眼睛、翅膀或类似的社会结构可能会出现……或者表明生命有时遵循着比我们想象的更有标记的路径。

不可还原的偶然性

但这种理论可能性不应掩盖更深层的现实：进化轨迹仍然在很大程度上由独特的连锁塑造，无法预测。

然而，尽管有这些令人不安的相似性，地球生命仍然是一个 极其偶然的历史的产物（在进化中，偶然性指事件连锁的独特且不可再现的特征：一个只发生一次且无法完全相同重演的历史。）， 由一系列不可能且不可再现的事件塑造。 没有什么表明这条道路——连同其断裂、事故和迂回——可以在其他地方再现；一切反而表明它是地球及其独特历史所特有的。