Nature：进化会重复发生

进化通常被认为是一种随机过程，作用于通过基因变异随机出现的各种性状。

已故古生物学家史蒂芬·杰·古尔德表示，如果我们让进化的时钟倒转，并“重播生命的录音带”，他怀疑“任何像智人这样的生物是否会再次进化出来。”

但一项关于竹节虫的新研究表明，进化有时会以可预测的方式重复，这有助于我们理解生物如何发生变化以响应选择压力。

法国国家科学研究中心的进化生物学家帕特里克·诺西尔和同事们研究了竹节虫的伪装模式，主要是Timema cristinae。通过对 10 个不同地点 30 年的实地研究数据，他们发现重复是竹节虫进化的一个关键部分。

T. cristinae竹节虫长期野外种群中的重复进化。

( A ) T. cristinae的颜色模式变体插图。( B ) 对随时间推移高度可重复的进化动态的预测。每条线代表一个不同的种群，每一种群都表现出可预测的性状或基因频率随时间“先上后下”的波动。( C ) 对随时间推移不太可重复的进化动态的预测。与左侧的面板相反，每个种群随时间表现出不同的性状或基因频率变化模式。请注意任何单个时间序列（即种群或重复）内的可预测性和它们之间的可重复性之间的区别。( D ) 1990 年至 2023 年间T. cristinae变体频率的经验变化。橙线（中位数）和阴影 [95% 等尾概率区间 (ETPI)] 表示宿主植物Adenostoma的年平均值。蓝线（中位数）和阴影（95% ETPI）表示宿主植物Ceanothus的年平均值。( E ) 特定种群的形态频率随时间的变化，代表重复进化动态（每个种群的平均年数 = 14）。结果显示了本研究重点关注的 10 个核心种群（即重复）。

自 20 世纪 90 年代以来，诺西尔和同事们一直在加利福尼亚州圣巴巴拉附近山区的路边捕捉这种不会飞的昆虫。

三种不同的竹节虫会伪装自己，要么用白色条纹，要么用纯绿色来匹配它们喜欢的寄主植物，要么用罕见的深色。竹节虫每年只产卵一次，因此研究中的每一年都代表着新一代的竹节虫，没有重叠。

通过捕获并记录了 32,000 多只昆虫，该团队可以梳理出这些趋势——发现在所有 10 个地理上分散的种群中，绿色和条纹竹节虫的频率每年都以可预测的方式循环。如果条纹在某一年变得不那么常见，那么在下一年它们就会增加，反之亦然。

然而，随着时间的推移，融入森林地表的较稀有、深色昆虫的比例保持相当低且稳定。

诺西尔及其同事在发表的论文中写道：“我们的研究结果表明，对于同一性状而言，进化既可重复，又复杂。”

NFDS 参数D的估计值及其在研究种群中的重复性。

( A ) 定向选择下的假设时间序列，同时说明当前和后续的变异频率，以及如何使用它们之间的差异来估计参数D。( B ) NFDS 下的假设时间序列。( C ) 定向选择与 NFDS 下p和 Δ p之间关系的预测（分别为蓝色和红色）。当p接近于时，NFDS 下预计会出现强烈的负相关。（D ） T. cristinae中的重复时间序列数据揭示了 NFDS 的证据。具体而言，显示的是每个研究地点的条纹变异频率与连续时间点之间条纹频率的变化。在 NFDS 下，预测存在负相关，正如在此处研究的所有 10 个种群中观察到的那样。拟合线与y轴上的零点相交的值（用水平线表示）是 NFDS 下预测的平衡频率。

这一发现让人想起了过去的研究，这些研究试图理解为什么进化不断创造（和毁灭）螃蟹，它们有侧向的体型、坚硬的外壳和超大的爪子。研究还表明，其他生物，如刺鱼，也有类似的趋势，一遍又一遍地进化出相同的性状。

然而，大多数研究结果仅来自一个或几个群体的研究，或短期实验室实验，这些实验的时间不足以捕捉到可能产生有用性状的基因突变的出现。

这项新研究回顾了数十年前生命历史中的决定论和偶然性问题，但它也可能对未来产生影响。未参与这项研究的科学家认为，了解进化有时以可预测的方式进行，可以帮助研究人员预测生物体如何变化，从而管理种群。

但是由于 Nosil 和他的同事只研究了T. cristinae及其近亲，他们只能推测其他分类群的结果可能有什么不一样，或者动物王国和植物世界的其他部分的进化是否同样可以预测。

现在确实似乎有大量的例子，从飞蛾和蝴蝶到鱼、雀科、绵羊和鹿，这些物种都遵循可预测的进化路径，回归到有助于它们生存的经过检验的性状。

平衡多态性与生态物种形成关系示意图。

( A ) 生态物种形成的经典观点，由于环境之间的不同选择（此处表示为生态转变对新栖息地的殖民化），种群之间发生了强烈的分化。( B ) 平衡多态性的经典观点，其中不会发生分化，并且单个种群内存在波动。( C ) (A) 和 (B) 中所示过程的组合，其中种群之间存在一些分化，但不像 (A) 中那样强烈，并且每个种群内都存在波动，因此这种情况代表了平衡的生态型。情景 (A) 至 (C) 中涉及的遗传结构也可能有所不同，具体取决于所选择特征的类型和数量，因此范围从许多基因座 ( D )、主要基因座 ( E ) 或结构变异 ( F )。在T. cristinae中观察到的情景与(C) 和 (F) 中所示的情景最为接近（橙色框表示强调），但请注意，此处显示的是简单、风格化的极端情况，仅用于说明目的。

译者注：以下是论文中作者的讨论。

跨时间尺度的可重复性

与在微生物中的发现一样，我们的研究结果说明，进化动态并非由选择或突变驱动，而是反映了进化因素之间依赖于环境的相互作用。一个关键因素是所涉及的时间尺度是否允许出现新的突变。

复杂系统中的可预测性和可重复性

我们的研究结果表明，复杂性和相互作用对于理解生物多样性至关重要。这提出了一种可能性，即进一步研究进化相互作用的可重复性也可以为更普遍的复杂系统动态提供见解，涵盖生命科学、物理科学和社会科学。

本文转载自​​克莱尔·沃森​​ ​，作者： ​​清熙​​