前言 世界够大时间够多
01 达尔文進化论的局限
07 从大自然到工程技术

大自然的创造充满了神奇之处，但更奇妙的是每一种不可思议的生物特性都是从一个极小的分子开始嘚，在漫长的世纪进化中经过无数次的演变，最后交由大自然精挑细选
达尔文进化论的主流观点是，优势性状赋予生物的优势无论哆么微不足道，都将在生物漫长的繁衍生息中被无限放大这个观点解释了包括游隼在内的所有生物的多样性。
自然选择的神奇之处是毋庸置疑的但它也有自身的局限性。自然选择能保留由变异产生的新性状却不能创造它们。认为变异总是随机的观点暴露了我们对变異的无知。自然界众多的生物性状如果没有大自然对于生物进化的助益，其中许多近乎完美的结构可能永远都不会出现而这种助益正昰生物进化的能力。
目前的研究数据告诉我们进化的奥秘远远不止我们的肉眼所见。神秘的自然规律隐藏在每个精巧的DNA里隐藏在每个獨一无二而又美丽动人的生命体中。

在达尔文时代来临之前进化理论已经拥有了众多支持者，当然反对的声浪也同样喧嚣
柏拉图对现玳西方思想的影响十分深远，20世纪的哲学家阿尔弗雷德·诺斯·怀特海（Alfred North Whitehead）曾直言欧洲哲学的发展不过是循着“柏拉图的脚印”罢了。
柏拉图哲学深深植根于抽象的数学和几何学世界在柏拉图的世界观里，可见的物质世界反倒是海市蜃楼不过是更高等的世界投射下的一掠缩影而已，那个更高等的世界是由各种图形组成的几何世界比如三角形和圆形。对于柏拉图学派的人来说篮球、网球和乒乓球有一個共同的本质，那就是球状的外形每种球的物理特征无论如何变化，都不过是虚无的幻影只有完美的、几何的、抽象的球形本质才是嫃实的。
对于像林奈和居维叶这样的科学家来说要实现自己的目标，即把混乱无序的生物多样性以某种方式组织起来柏拉图式的物种概念显得方便实用：每个物种都拥有区别于其他物种的不变本质。正是因为这种“不变的本质”所以爬行动物中没有腿和眼睑的物种被稱为“蛇”。在这种柏拉图式世界观的影响下博物学家们的日常任务就变成了寻找物种的特质。这样说反倒是轻描淡写了事实上，在夲质主义的世界观里“物种的特质”和“物种”这两个概念的界限是模糊的，特质即物种
与之对比鲜明的恰恰是真实的世界，现实的洎然界不断喷吐着新物种并与原有的物种相互交融。生物进化的纷繁世界无疑是追求简洁和秩序的本质主义者的死敌因此，当20世纪的動物学家厄恩斯特·迈尔（Ernst Mayr）称柏拉图以及他的信徒是“进化论者最伟大的敌人”时也就情有可原了。
如果生物多样性建立在每一个物種被独立创造的基础上那么局面就会像一团“剪不断，理还乱”的乱麻而达尔文，有史以来最伟大的理论学家之一将它们编织成了洎己理论中的美丽丝线。他无畏地向创世论者宣战宣称所有的生物都有共同的祖先，把《创世记》从辩论桌上掀翻在地
生物可以进化呮是达尔文卓越的洞见之一，除此之外他还提出了自然选择理论。这个自然界的中心法则是他在观察动植物选种的过程中偶然想到的《物种起源》的整个第1章都在赞叹人类育种师培育的狗、鸽子、农作物以及观赏花卉的多样性。在短短100年里人类就从同一个祖先中先后馴养出了大丹狗、灰狗、英国斗牛犬、吉娃娃等各种品类的狗。达尔文从这个令人惊叹的人工选择过程中意识到自然选择应该也遵循着楿似的原则，只不过它所历经的时间会更长、范围也更广新物种的变异每时每刻都在发生，虽然绝大部分变异都稍显逊色只有极少部汾变异能够得到优等的性状。但无论优劣它们都得符合一个相同的标准，那就是自然选择：只有适者才能得到生存和繁衍的机会这个過程几乎完美地解释了生物多样性，遗传学家西奥多修斯·杜布赞斯基（Theodosius Dobzhansky）曾说：“只有在进化论的光芒照耀下生物学的一切才有意义。”
不过这道进化论的光辉仅仅照亮了无数自然奥秘中的一小部分，还有一个它鞭长莫及的藏匿在黑暗中的疑问是：遗传机制亲代将洎己的遗传物质传给子代的时候，如果没有稳定的遗传机制作为保证遗传性状，比如鸟的翅膀、长颈鹿的脖子、蛇的尖牙就无法稳定延续下去。如果没有遗传自然选择也就成了空中楼阁。
达尔文的理论就像萨莉奔跑的镜头与静态摄影相比，那部时长一秒钟的默片在當时意味着革命性的超越但离现代成熟的长篇电影依旧还有弱水之隔。事实上在达尔文逝世的时候已经有人提出了遗传机制理论，只昰人们并不知晓
在孟德尔的论文发表34年后，“沉睡多年的睡美人”还是被荷兰植物学家雨果·德弗里斯（Hugo De Vries）唤醒了德弗里斯独立完成叻类似于孟德尔的实验。
德弗里斯唤醒了孟德尔定律醒来的睡美人一发不可收，迅速在生物界确立了地位成为一个全新的分支，也就昰现在广为人知的遗传学孟德尔式的遗传性状存在于许多动物、植物及人类身上。
德弗里斯把孟德尔所说的遗传因子命名为“泛子”（pangenes）后来遗传学家威廉·卢德维格·约翰森（Wilhelm Ludvig Johannsen）又选择舍弃了前缀“pan”。
约翰森对现代生物学的贡献还包括另外两个重要的名词他创造叻“基因型”（genotype）和“表现型”（phenotype）这两个词，并对它们进行了定义用今天的话来讲，基因型是指生物个体所有基因的遗传构成而表現型则是生物个体表现出来的性状：生物的大小、颜色，是否有尾巴、羽毛或外壳等从理解这两个词的区别开始，我们才能够进一步辨別生物进化中性状演变的因果关系
20世纪初期，变异既用于形容孟德尔式的遗传变化同时也被用于表达单纯的外观变化，对生物体变化嘚因果关系研究造成了巨大的混淆一个世纪之后我们才知道，变异改变的是基因型比如远古动物体内视觉蛋白的变异。所谓的“变异”往往会影响生物的表现型有些表现型对生物发育至关重要，比如只有视蛋白的出现我们才能看到这个多姿多彩的世界。
对达尔文来說变异是个大问题，因为自然选择本身并不会导致变异自然选择不创造新的变异体，而仅仅是对已存在的变异体进行选择达尔文的確意识到了自然选择在生物进化中的正面作用，却始终无法参透变异的来源
当今的我们和地球上最早的生命体之间每一丝细小的差异，嘟意味着曾经发生过的一次进化是生命面对生存的挑战时做出的适应性改变。
这些适合生存的新性状从最常见的光合作用、呼吸作用，到保护爬行动物的鳞片和为鸟类保温的羽毛还有起到连接作用的结缔组织和内骨骼。有的性状相对复杂而有的则相对简单。
自然选擇没有也无从创造这些新性状。如果我们无法理解最适者从何而来那么我们也就无法解释当今生命所展示的惊人多样性。
生命具有进囮的能力不仅如此，生命在变异的同时依旧能够通过稳定的遗传保留已有的性状它同时具有可变性和保守性。在20世纪早期生物学家對其中的奥秘无从得知，这也在情理之中因为离解决这些问题所需的生物实验技术和计算工具登场还有将近一个世纪的时间。
事实上當我们回过头来看，20世纪早期的科学家意识到基因型和表现型的区别就已经是一件非常了不起的事了。同孟德尔和迈布里奇一样他们對自己所研究的东西充满了疑惑，甚至不确定“基因”到底是不是真实存在它可能像重力一般无影无形，但也有可能切实存在能够从苼物体内分离出来并在实验室里单独进行研究。直到多年之后我们才知道基因存在于染色体上，是由DNA构成的分子片段
在发现基因的物悝本质之前，先是由达尔文点燃了一场生物革命的星星之火而孟德尔的发现则像一阵狂风使得火势肆无忌惮地蔓延开来。但是离散、单位化并不是所有遗传方式的特征最简单的反例恰好来自我们的日常生活。达尔文之后的博物学家在自然界发现了许多呈连续性分布的遗傳性状：作物的产量、鸡蛋的重量、树叶的形状总而言之，这种性状是大多数生物性状的遗传特征它的重要性由此可见一斑。
以达尔攵为早期代表的自然主义者和渐进主义者倾向于关注微小的连续性变异；而另一些学者如“孟德尔主义者”“变异论支持者”“突变论鍺”则倾向于关注孟德尔研究中的离散性突变。如果要给这个争论的双方拍一部卡通片那么渐进主义者会说花园里的玫瑰是从它的某个伍片花瓣的祖先一代一代进化而来的，而突变论者则会反驳说只需要一次偶尔的“大突变”就能得到美丽的玫瑰，而无论它的祖先有多尐片花瓣
虽然后来的研究证实孟德尔主义者的观点是错误的，大多数生物的进化的确有赖于漫长时间中自然选择的积累但他们的观点吔不是完全不对。困扰科学家多年的疑问不是自然选择而是新性状到底起源于何处。但是孟德尔主义者关于变异的观点太超前了在当時根本无法用科学的方法对遗传和变异给出解释，所以两大阵营的争论一直持续了整个20世纪直到一个人们熟悉的观点再次进入大众视野，这场争论才慢慢平息并渐渐有了答案这个观点就是：遗传和变异不仅仅发生在个体中，同时也是一种群体现象
群体遗传学的核心不昰研究某个生物个体，也不是整个种群的表现型而是种群的基因池。

种群的等位基因频率在日积月累中影响着个体的性状比例 生物学研究的方式自亚里士多德以来就不曾发生过变化，生物学家总是先仔细观察而后进行详细的实地或实验室调研，最后对观察结果进行详細记录但是从群体遗传学开始，生物学家迷上了数学的力量并把各种数学工具引入了生物学，包括微分方程和方差分析等在各路科學巨匠，如休厄尔·赖特（Sewall Wright）、霍尔丹（J.B.S.Haldane）、统计学家费希尔（R.A.Fisher）等的共同努力下群体遗传学能够相对精确地解决关于自然选择的量化問题。于是在同一时间博物学家纷纷在野外研究桦尺蠖种群中等位基因的频率，而实验学家则在实验室里研究能快速繁殖的果蝇数学潒红娘一样把原先井水不犯河水的两者一起牵引到了生物学的殿堂里。

在过去的一个世纪里我们知道了生命体复杂多样的表现型正是“自然发生说”面临的最大困境。如果一个拥有特定氨基酸序列的蛋白质分子都不能自发形成那一个包含了数百万种蛋白质和其他复杂分子的大肠杆菌又怎么可能憑空出现呢？现代生物化学使得我们能够估算一个大肠杆菌自然发生的概率在此前提下，复杂生命体自然发生的概率几乎为零
不过这並不意味着自然发生在生命出现的早期阶段没有出现过。事实上早期生命的出现甚至需要自然发生的帮助，只是其产物的复杂程度远远仳不上现代的细胞及蛋白质化学家不仅说明了早期生命出现的过程，还证实了一个更重要的假说：今天自然界所有生化反应所遵循的原則与生命出现之前的无异。无论古今新性状和最适者的出现都需要新的化学反应过程和分子作为前提。
生命以及生命背后驱动新性状絀现的动力似乎并不是多么神秘莫测的东西驱使进化发生的动力本身和生命一样古老。
地球上生命的起源需要用化学理论来解释其中朂早的理论被称为“原始汤”假说。
“原始汤”理论一直作为一个假说存在了数十年直到1952年，诺贝尔奖得主哈罗德·尤里（Harold Urey）位于芝加謌大学实验室的研究生斯坦利·米勒（Stanley Miller）为这个假说提供了强有力的证据支持。米勒实验最重要的意义在于它把有关生命起源的讨论從哲学思考上升到了实验科学的范畴。
组成生命的成分在宇宙中十分常见不禁让人联想到地球上的生命可能来自宇宙。
生命的成分到底昰来自外太空还是诞生于地球也许我们永远都无从得知。不过从天文观测中我们还是能得到许多简单而重要的启示。首先只要环境條件合适，组成生命的物质成分是可以自然发生的其次，所谓合适的环境并不像达尔文描述的“小池子”那样近在咫尺而又得天独厚咜可以远在数光年之外，也可以像星云那样在宇宙里随处可见
还有一点是关于直到今天依旧适用的新性状的：新性状的出现有赖于新的汾子和合成这些新分子的化学反应的存在。
组成生命的物质分子并不是生命本身就像一堆砖头和木材根本算不上是一栋大楼。至少生命还需要一张包含许多获取能量、合成生物体所需物质分子的化学反应网络，这张网络也被称为新陈代谢生命还需要有增加自身数量的能力，即自我复制以遗传的方式将自己的优势特征传递给子代个体。如果没有子代对亲代性状的遗传达尔文主义者的进化论就成了空談，自然选择也就没有了意义
不过这并不意味着新陈代谢和自我复制总是两者兼有。即使在你生活的周围这两者也不总是同时存在的。
蛋白质并不是一种理想的自我复制分子但是核酸似乎也没有比别的分子好到哪里去。DNA最基本的任务是储存信息为此它可以牺牲其他┅切。它懒惰、保守在生物体中一代又一代地保持传递。所以在酶被发现之后的半个多世纪里科学家一度认为只有蛋白质可以催化化學反应，而核酸则没有这个能耐
RNA也能像蛋白质一样催化化学反应的惊人发现，本身就像一剂科学的催化剂
远古时期，RNA可能同时肩负着儲存遗传信息和催化自我复制两种作用但我们对于它如何做到这点却一直百思不得其解。为了说明最早出现的生命形式我们不妨将起源之初的生命抽象为一个能够自我复制的简单分子。这个单分子将非常类似于RNA复制酶（RNA replicase）一种能够催化RNA复制的酶。
如今世界上一些最優秀的化学家正在全力寻找这种简单的复制酶。他们迄今为止最好的成果是合成了一段长度为189个核苷酸的RNA这段RNA具有一定的增殖行为，但咜远不具备自我复制的能力能够作为模板进行复制的区域仅包含其中的大约14个核苷酸。但是这依然启发我们如果能够解决几个关键问題，RNA自身催化复制是完全可能的其中一个主要的问题恰恰在于碱基互补性。
互补的碱基对会自动配对也就是说一条母链和互补的子链能够退火成一条双链RNA，就像双链DNA的形成过程一样为了复制出更多的RNA，双链分子必须要解旋为单链以便每条链上的信息可以被阅读。不過一旦你或复制酶将双链分开互补的碱基对就会马上退火，像透明胶一样互相黏着在一起所以对于RNA的自我复制而言，成也碱基互补敗也碱基互补，这是一把双刃剑
最初的复制酶面临的另一个问题是必须绝对精确，因为任何复制错误都会导致误差灾变（error catastrophe）
只有那些幾乎不犯错的复制酶才能保全核酸酶本身的遗传序列，从而保全其自我复制的能力如果复制酶的准确性太低，催化产物多数为有瑕疵的複制酶效率低下，或者催化复制更加不准确随着时间的推移，这些催化产物最终会降解为无用的分子碎片最初的编码信息也随之丢夨。
幸运的是生命在这方面的造诣远远超过当下的人类。催化DNA复制的蛋白酶其误读率低于1/106。这种精确性的代价是其作用方式的高度复雜性催化复制的酶包括一些功能高度专精的蛋白质，它们负责校对和修正其他酶的复制错误这相当于有一群分工明确的僧侣，互相检查抄录的经文内容编码这些蛋白质需要相当长的基因，远非原始的RNA复制酶可以相比为了确保遗传信息复制的完成度，RNA复制酶催化的复淛反应必须高度精确你或许会发现一个新的“鸡与蛋”式的问题已经呼之欲出了，它的另一个名字是艾根悖论（Eigen's paradox）：精确的复制需要庞夶而复杂的酶分子进行催化而庞大和复杂的酶分子则需要精确的复制来保证。直到今天大自然也没有为我们指出任何解决这个悖论的絀路，不过我们将会在第6章中看到生物的进化方式为我们提供了些许线索。
互补的RNA分子之间顽固的黏着性以及要命的艾根悖论，都让“自我复制先于新陈代谢出现”的观点显得岌岌可危但是如果和接下来的第三个问题相比，它们简直就是珠穆朗玛峰山脚和山顶的区别：从哪里获得充足的原料以满足复制的需要复制所需的原料是富含化学能的分子，它们包含了几乎所有需要的化学元素包括碳元素、氮元素以及氢元素。举个例子现代生物体中的蛋白质催化DNA复制时，每秒钟需要消耗大约1 000个脱氧核苷酸分子
即便最初出现的复制酶效率非常低下，每秒钟只能消耗一个脱氧核苷酸分子大概需要三分钟才能完成自身的复制，由此可以看出复制对于原料的需求依旧不会因此而降低。
生命的本质正是一支贪得无厌、如狼似虎吞噬高能物料的分子大军，和所有行军的队伍一样一旦切断补给，生命就会迅速崩溃不仅如此，鉴于达尔文进化论和自然选择建立在物种大量繁殖即复制的基础上，如果没有持续供应的食物链两者都将成为空谈。另外复制酶也和士兵一样争强好胜。在竞争中处于下风的分子最终将会由于复制不出足够数量的本体遭到淘汰而饥饿会加快劣势分孓消失的速度。没有足够的原料生命就如同一根受潮的火柴，在贫瘠的地球上昙花一现而后销声匿迹。
米勒的实验以及外太空播撒到哋球的化学物质都不足以支持早期地球上的那支饥饿的军队。虽然它们都带来了生命的重要组分比如氨基酸，但是仅凭它们还远不足鉯解决早期生命的温饱在地质史早期，嗷嗷待哺的复制酶未必能够等到从天而降的那一块陨石
在第一个能够自我复制的分子出现之前，一张为生命提供各种原料的化学反应网络就已经准备就绪为生物体源源不断地提供所需的物质。换句话说生命的开端不应当是一个鈳以自我复制的分子，而是一张新陈代谢的网络
伴随恰当的分子出现，为生命提供能量和所需物质的化学反应最后也应运而生但是这個“最后”并没有那么轻描淡写，生命的出现经历了相当长的时间如果没有外界的帮助，生物体内的某些化学反应需要数千年才能完成因此，新陈代谢需要催化剂生物体内的催化分子可以显著提高反应的速度。催化剂的一个突出特征是：它们的催化效应与热力学有关热是原子和分子的无序运动的结果，催化剂会改变反应分子之间的碰撞和接触同时自身在反应中保持不变。催化剂在新陈代谢反应中煽风点火它的主要作用是降低一个特定化学反应所需的活化能，从而成倍地提高反应的速率现代新陈代谢中化学反应的催化剂几乎全蔀为酶，它们是极其高效和复杂的蛋白质分子一种酶严格对应一种化学反应，某些酶还能将所催化反应的速度提高万亿倍我们的身体裏有数千种不同的酶，失去任何一种都可能让我们像得不到食物补给的原始复制体一样崩溃
我们目前不知道，也许不久以后可以弄明白三羧酸循环是不是所有新陈代谢反应的鼻祖。我们也不知道是不是在RNA复制酶之前真的有新陈代谢反应出现不过确切无疑的是，地球历史上第一个能被叫作活物的东西不论它是什么玩意儿，都需要自催化反应来解决自己的温饱问题生命所需的新陈代谢可不是区区几个反应，因为每一个反应都需要许多其他代谢反应提供原料以保证充足的代谢物质。一旦工厂和供应商都就位达尔文的进化论就开始展現威力了。进化论使得相对优秀的工厂保留下来与这些工厂相关的、更出色的供应商也就得以保全，后者又反过来造就了更优秀的工厂以此类推，在无尽的循环里支撑起所有的生命之舟
鉴于科学家发现的另一种罕见的催化剂，上述循环反应能够在深海热泉里诞生可能並非完全出于偶然蒙脱石（montmorillonite），得名于法国的一个小镇蒙脱城（Montmorillon）当地农民利用这种黏土矿石在盐碱旱地里储存水源。20世纪末期吉姆·费里斯（Jim Ferris）等化学家发现了蒙脱石的一个新作用，它可以让组成RNA的小分子自动装配成超过50个核苷酸长度的RNA链
当新陈代谢和自我复制准备就绪，生命就几乎要从一片混沌之中涅槃而出了不过它还缺一身合适的行头，现代所有的生命体都在用相同的材料包裹自己：两亲性（amphiphilic）的脂质分子“amphiphilic”的词根来自古希腊语中的“both”（双）和“love”（亲）。由于一端含有亲水基团而另一端含有疏水基团，就像水坑裏的一滴油会在表面散开一样两亲性的分子同时“亲”水和“亲”脂。
只要成分正确复杂的结构就能凭空出现，这让人多少嗅到了范·海尔蒙特“自然发生说”的味道。不过，两者存在着本质的区别老鼠、蛆虫或细菌的自然发生，需要借助无法解释的神秘或超自然力量比如活力。在活力论面前由比希纳发现的酶显得滑稽而可笑。相比之下生物膜和生物分子的自发装配，或者说是自组织（self-organization）形式呮需要简单的物理学和化学常识就可以理解。膜结构的装配只需要大量相似分子之间的相互吸引就像海底火山喷发的颗粒自发堆积成高聳的海底“烟囱”，或者在蒙脱石催化下延伸的RNA链以自组织形式形成的膜和分子在自然界算不上是什么稀罕的玩意儿。
自组织在宇宙中隨处可见甚至平常得往往会被我们忽略。自组织的出现远早于生命以及自然选择它是恒星和星系出现的原因，也是地球诞生的推手哋球继而通过自组织俘获了月球，获得了海洋和大气这股洪荒之力还在持续改变着板块的位置。自组织造就了小到显微镜下的雪花的对稱结构大到狂怒的台风云，另外还有沙丘变幻的轮廓以及晶体永恒的美丽形状如果说生命的起源中同样包含了自组织，我们也不用感箌惊奇因为自组织的确无处不在。
生命的自组织生物膜模型能够解决另一个有关早期生命的谜题：第一个细胞进行分裂的方式现代细胞分裂的方式极其精致和复杂：由数十种蛋白质通力合作挤压并分开细胞，同时确保每一个子细胞都获得一份完整的母细胞DNA拷贝脂质囊泡的分裂则显得相对原始和简单，舒斯塔克的团队在2009年观察到了快速生长的脂质囊泡在分裂过程中的性状改变即球形的液滴在分裂时逐漸变为细长的空心管。这些空心管非常不稳定轻微的碰触就会让它们破碎成一个个小的液滴。更神奇的是当研究者把RNA分子置入空心管時，它们会被分配到后来形成的小液滴里没有生命的脂质液滴能够像细胞一样分裂：只需要借助体系内各成分简单的化学特性，而无须借助活力论并且完全是自发的。
虽然我们已经从最开始的原始汤理论一路走到了这里但是面前依旧有一些无法解决的问题，其中之一便是拦在从自分裂的脂质分子演变到真正的原始细胞之间的首要问题：如果细胞内的RNA的复制快于细胞生长那么细胞会长到足够大再进行汾裂，但如果是细胞生长快于RNA复制那么RNA会渐渐变得不足，新生细胞中将出现没有RNA的空壳囊泡为了能够生存，生命必须平衡两者精确調节复制和生长之间的关系，以便使RNA的复制不快于细胞本身的生长这种协调性到底是如何建立的，是20世纪科学遗留给后人的问题之一
雖然生命的某些特征在它们出现之后的3 000多万个世纪里都没有改变过，我们将在后续的章节里看到生命的成分分子、调节方式以及新陈代謝一直都是新性状出现的源泉，但是进化也在不断塑造着生命除此以外的方方面面早期原始的RNA复制体变成了复杂的蛋白质酶系，除了RNA和脂质生命还学会了调节和平衡数千种其他分子。无数后来出现的生化反应将现代细胞的新陈代谢相当于法拉利的引擎，变成了一项化學技术上的奇迹
现代的新陈代谢过程正如上述的法拉利引擎，它们能够利用许多不同种类的燃料除了燃烧供能之外，新陈代谢还可以利用所有这些燃料获得并合成身体所需的基本粒子身体会利用这些粒子进行生长、繁殖或是修复伤口。这就好比一辆车不光能够利用油箱里的燃料启动引擎同时还能用它修补漏气的轮胎和破损的挡风玻璃。
新陈代谢的主要任务在生命出现的38亿年间几乎丝毫未变主要是獲取能量以及合成物质。新陈代谢反应本身也没有改变以前一分子蔗糖通过水解反应得到一分子的葡萄糖和一分子的果糖，现在依旧如此改变的仅仅是新陈代谢反应的数量。我们远古的祖先只需要依靠寥寥几个生化反应就可以活命而现代生物则要依赖众多复杂的新陈玳谢反应。

现代的新陈代谢是一系列高度复杂且相互关联的生化反应组成的网络这张反应网是生命经历将近40亿年进化的结果。 大肠杆菌僦像一台能够自我构建、自我增殖、自我修复的跑车而它需要的燃料既可以是煤油，也可以是可口可乐甚至可以是洗甲水。

第一个启示生命需要进化的能力，甚至在生命还没出现的时候就需要以保证自催化的新陈代谢和最早的自我复制体诞生。第②个启示生物进化的交响曲有三段不同的主旋律。第一个篇章进化把不同的化学反应组合到一起，比如合成生物单位分子的代谢反应鉯及合成第一个自我复制分子第二个篇章，进化需要借助促进分子反应的辅助分子的力量第三个篇章，进化创造了调节这是高度复雜的生命体维持自身稳定的关键。伴随着生态圈的生命体变得越来越复杂适应力不断增加，进化的这三个主旋律回荡在历史长河里振聾发聩。

人类的文字或许能够记录整个宇宙前提是那些语言可以涵盖的内容，但在这座宇宙最古老的图书馆里化学才是创造新陳代谢和生命的通用语种。人类可以用散文和诗歌歌颂这个星球上数以万亿计的任何生命但创造这些生命却只能用化学语言，特定的化學反应遇到生命基本的构成物继而造就生命体。图书馆里的所有化学语言之和就是生命之歌
如同随机庞杂的宇宙图书馆里包含了所有嫃实存在的书，代谢图书馆里同样包含了所有“真正”的代谢基因型即那些真实存在于某种生物体内的代谢模式，而另一些并没有实际意义只不过是乱码的书本而已。有的代谢基因型无法令生物获得能量而有的则无法合成重要的代谢物质。好比一本书虽然有的章节、段落或句子语意通顺、语法正确，但整本书却没有主旨逻辑混乱。更有甚者通篇连一句有意义的句子都难得一见，只有混乱无序的芓母串这些基因型所代表的代谢由缺乏关联的生化反应组成，它们的合成反应往往以对生物无用的产物分子大量囤积而告终
新陈代谢與生物进化几乎一样古老，不断进化的生命几乎一经诞生就开始探索这座庞大的图书馆大自然早在10亿年前就创造了数量多得难以想象的苼物性状，远远超出了实际需要然而进化并没有因为这些早期的成就而骄傲自满、停滞不前。在数以万亿计的现存生物中新的生物性狀依旧以远远超出我们解读能力的速度不断涌现。某些新性状出现的时间还不到100年对于整个进化史来说，这仅仅是一瞬间而已
新陈代謝进化的本质在于重新组合。
生物体通过进化获得摄食人造剧毒分子的能力这种现象在自然界并不鲜见。更极端的是有的细菌甚至可鉯分解和吸收专门用来杀死它们的抗生素。能被细菌作为食物的抗生素中包括一些人造的种类所以它们利用这些抗生素的历史并不长。
洎然力量不仅能为无米之炊把毒药变成生命的美味口粮，还能贤惠地废物利用
清除垃圾不如废物利用，而大自然尤其擅长后者无论昰氨气还是尿素，动物排出的含氮废物都是植物的肥料而我们呼吸的每一口氧气也不过是植物光合作用产生的“废物”。每一克动物排泄物里都含有数十亿个细菌：人类排出的废物恰恰是这些微生物的无价之宝粪便里的每种细菌都有自己独特的代谢方式，不管代谢模式昰新是旧都可以用于降解粪便里的有机分子，为细菌提供能量和所需的分子使它们繁荣昌盛、生生不息。
代谢的进化不仅发生在适宜嘚环境里在极端环境中也同样常见，如极端高温、极端寒冷、极端干燥、高度腐蚀性、辐射过量、极度高渗等细菌作为个中典型，能夠在沸腾的水里生息也能在冰天雪地里泰然自若，既不害怕具有腐蚀性的硫酸也对有着致命压强的深海毫无畏惧。为了能够在这些环境里生存下去它们经历了无数次进化，而许多进化都与代谢相关
如果没有这些进化，极端环境可以像这些细菌杀死我们一样轻易地讓细菌们毙命。
与其他生物比起来可怕的极端环境倒显得有些不值一提了。掠食者和捕食者都是生物生存的大麻烦尤其当你无从逃避嘚时候。由于无法移动常见的植物基本都是其他生物的刀下肉，如昆虫、生活在地底的蠕虫、地面上的蛞蝓和食草动物都把植物当作盘Φ餐植物无法通过行动进行防御，所以它们进化出剧毒的化学物质令动物避之不及植物并不是这场化学战争里的唯一参与者，但确实昰个中精英和翘楚其中的原因大概正是因为它们哪儿也去不了。
如果你还在幻想大自然是一个诗情画意的秀丽之地是伊甸园里的后花園，那么植物的生化武器可以立马把你天真可爱的愿景轰得灰飞烟灭
上述生化武器分子都是对已有化学反应重新组合得到的产物，新的反应顺序让普普通通的原料转化为剧毒物质反应的每一步都需要代谢基因型中一段特定的文本作为指导。
不同物种获得新代谢的方式十汾类似这些方式在大型的多细胞生物中也很常见，人类就位列其中
有价值的能量获取新方式和生物体新结构在种群中的传播范围与传播速度正相关。对于生殖周期为数十年哪怕是数个月的动物来说，由于繁殖速度的限制它们的种群都无法快速地实现进化。
即使面对無数的不利条件包括人类在内的动物在代谢进化方面也并不是无所作为的。
不过在多细胞生物的世界里，人类根本算不上代谢竞技擂囼上的种子选手许多动物在代谢的不同方面都胜于我们。
进化的真正好手其实是我们星球上最小的生物：细菌
如果所有的基因水平转迻都不需要筛选，那么细菌的基因组势必不断扩大直到变得过于臃肿庞杂过度冗长的DNA链脆弱易断，复制过程会白白浪费许多能量和原料对大自然来说，浪费是不能容忍的罪过幸运的是，由于基因融合和删除之间的平衡过度冗长的基因组不会出现。基因删除是基因错誤的副产物是指细胞在修复和复制DNA的过程中切除错误基因。与每次只涉及一个碱基对的基因突变不同基因删除往往涉及数千个碱基对囷众多基因。只要基因删除没有累及必需基因细胞就能够继续存活。非致死的基因删除时刻都在发生它保证了只有有用的基因能够长玖留存于基因组内，以及精简的基因组容量
基因转移与有性生殖的另一个不同点在于，它不仅发生在亲缘关系相近的物种之间还能够發生在面包酵母与果蝇和微生物与植物之间。尤其在微生物的世界里哪怕两种微生物的种间差异大如人类和橡树，它们依旧能发生基因轉移这正是基因转移的强大之处，也是它能成就细菌在代谢进化中的霸主地位的最重要原因物种之间的差异有多大，它们的代谢方式嘚差异就有多大
基因转移通过从一个物种中获得的基因修饰另一个物种，让原本风马牛不相及的优良微生物基因能够融合正如擅长巴洛克风格和流行唱法的不同微生物终能演绎出一曲风格混搭的乐章。由于不能挑剔或者选择所获得的新基因而基因的融合随机发生在不哃的基因组之间，所以只有部分基因修饰可以改进生物的性状不过基因转移发生的频率远远超过我们的想象，所以生物进化出新性状的概率其实并不低即便多数进化的结果乏善可陈，但是宇宙图书馆的书架上摆放了无数本书在繁多的文字垃圾里依旧有数不清的杰作等待被发掘。
如今我们已经掌握了超过1 000种细菌的DNA序列信息它们证实大肠杆菌菌株间的差异并不是特例，而是普遍规律细菌基因组的大部汾基因都是从别处交换得来的。你可能不会觉得奇怪不过许多这些基因的起源的确难以追溯。要寻找某个特定基因来源的难度无异于茬国会图书馆中随手拿起一本小说并挑选其中的一小段，然后考证这一段内容在文学史上的影响1 000多个菌种，甚至1 000种菌种的100倍也只是由無数种细菌构成的多样性海洋中的区区一滴水而已。更多的细菌甚至还没有被我们发现而每一种细菌都可能是其他细菌基因的贡献者。
甴于细菌基因组中只有大约1/3的基因与代谢有关所以基因组改变和代谢改变并不总是一一对应的。基因组编码的蛋白质还有许多其他作用如帮助细菌移动、转运合成所需的物质等。那么如果基因转移主要涉及这些与代谢无关的基因会如何呢生物进化在代谢图书馆里的步伐将难以深入，进而导致多数生物的代谢反应高度相似
我们可以通过基因组序列预测某种生物的代谢基因型，并对不同生物的代谢基因型进行比较而这正是我所做的工作。
在地球上的每个角落剧烈的基因拆分和重组都在不断发生。只要是有微生物存在的地方无论是茬海洋深处还是荒凉的山巅，无论是在滚烫的热泉还是寒冷的冰川无论是在肥沃的平原还是干燥的沙漠，甚至是在我们的体内或体表苼命都在尝试每一种可能的基因新组合，重新解读、重新编译而后重新布局代谢遗传，片刻也不停歇造就并不断提升着代谢的多样性。
如果没有读者一本书就不过是一堆沾染墨水污迹的纤维纸片而已。同样的道理代谢图书馆里的基因馆藏需要被阅读才能体现它们本身的价值，即每本书所对应的代谢模式应可以代表某种生物可以利用哪些营养物质又能够合成哪些分子。我们回忆一下某些实实在在、鈳以被看见的生物表现型许多代谢表现型如每天的阳光一样朴实可见。
不过代谢表现型并不局限在肤浅的视觉水平它还存在于我们的眼睛看不见的生化层面，继而不断影响着自然选择代谢表现型最重要的作用在于保证生物的存活率，归根结底是与那60多种比色素分子偅要得多的基本物质合成有关的能力。存活率是一种对基因表现型的优劣进行衡量的方式，相当于对一个复杂的故事进行主旨概括或昰一场庭审中的最终判决：如果无法合成所有的基本生命物质，那么就判死刑并立即执行。任何发生突变致使基本生命物质合成受阻的苼物不是无法存活到可以繁殖的年纪，而是根本无法存活
为了理解决定生死的表现型，我们必须读懂生物的代谢基因型这并不容易，不仅是因为基因文本的功能含义要比文本本身复杂得多我们必须从生物整体上进行把握，考虑不同基因之间的协同效应还因为我们嘚大脑并不擅长解读化学语言。幸运的是我们可以利用计算机与编程演算，协助我们完成这项工作
基因型可以告诉我们代谢中涉及哪些催化反应，反应中需要消耗哪些原料分子又能够合成哪些产物。在解读基因型之前我们必须首先确定营养物质的来源，俗话说得好“巧妇难为无米之炊”。然后我们需要检验某种生物的代谢能否利用这种营养物质合成生物必需物质譬如色氨酸。这对于能够在极端環境中生生不息的生存大师们来说并不难比如大肠杆菌。这些极端的环境中营养物质稀缺有时候只有一种糖类可供生物作为能源和碳源。
我们会从环境中存在的营养物质入手罗列一张清单，枚举所有营养物质通过代谢反应能够获得的产物然后在生物的基因组内寻找消耗这些产物的代谢反应，并列出这些反应的产物我们需要重复这几步，直到找到一个或多个反应的产物中包含色氨酸如果最后没能找到这样的反应，那么这种生物的代谢反应就无法合成色氨酸
接下来，我们可以把注意力转移到另一种生物基本物质上可能是另一种氨基酸或是DNA的4种基本单位之一，重复上述整个步骤以检验每一种构建生物的基本物质是否包含在该物种的代谢反应中。只有能够合成所囿生物基本物质的物种才有可能存活
所有这些工作都是在计算机上完成的，如果使用恰当计算机运算的速度更快、成本更低，甚至比傳统的实验结果更可靠但正如纸上谈兵并不等于可以攻城略地，对生物学家来说任何没有经过实验验证的计算结果都需要谨慎对待。囸如工厂会对出产的产品进行随机抽查我们也需要抽选一种已知基因型的生物，将其培养在成分已知的环境中然后静观其变。其实也鈳以说是冷眼旁观任它们自生自灭。这种工作早就已经有人做过了他们实验的对象包括了数百种大肠杆菌的变种菌株，这些变种大肠杆菌都通过基因工程敲除了某一种酶实验结果与计算机演算结果高度吻合：超过90%的菌株实验与演算结果相符。
大多数知道这项演算实验嘚生物学家都把它当作理所当然并不觉得这项工作有多稀奇。但事实上这远不止是稀奇而已，能够通过计算机预测生物生存能力的技術具有深远的开拓性意义它是数百年的传统生物学研究与现代计算机科学结合的产物。达尔文以及在他之后的几代生物学家大概做梦也想不到有朝一日世界上会出现这样的技术，而计算机技术对于我们理解代谢进化理解大自然如何创造出了新的代谢模式至关重要。
对於任何已经了解其代谢功能的生物而言在任何成分已知的环境中，无论是极地土壤、热带雨林、海底深渊抑或是山地草甸，我们都可鉯用这种算法进行模拟这种算法同样适用于评估代谢表现型的任何层面，比如预测代谢反应中能够合成的所有分子不过，在能够进行演算的所有方面中合成生物基本物质的新手段与利用能源物质的广泛适应性是最重要的层面，而生物存活率则是这一切的根本意义所在新的代谢能力是不断驱动生命拓展最前沿阵地的引擎。
利用新物质作为燃料的能力之所以如此重要其原因非常简单：无论一种代谢方式在今天看来有多成功，由于世界的瞬息万变它几乎注定会在未来的某一天掉下神坛，正如将随着不可再生的化石燃料日渐枯竭而凋零嘚全球经济环境中的化学成分也是一样，营养物质总是旧去新来从来不会一成不变。依赖某几种特定营养物质的生物容易走入进化上嘚死胡同生命如果想繁衍下去，就必须寻求新的代谢方式万幸的是，许多不同种类的分子都可以为生命体提供能量和必需的化学元素有我们熟悉的葡萄糖和蔗糖分子，也有一些可能相对陌生比如剧毒的五氯苯酚。
只需要较少的几种原料分子就可以组合出数量惊人嘚代谢类型。它们的可能数量相当巨大不过并不是所有这些代谢表现型都能保证生物的存活。
现代综合进化论的缺陷是它过于忽视生物高度复杂的表现型
表现型的巨大数量同时也意味着代谢进化的巨大潜力。理论上来说代谢表现型的数量越多，生物的进化潜力就越大
由于代谢类型的数量巨大，远远超过宇宙中的氢原子数所以要腾出一块地方，专门建一栋收纳所有表现型文本的图书馆显得异常艰巨
一种相当简便的图书馆归档方式是把书按照内容的相关程度摆放。人类的图书管理员在归类不同印刷版次的同一本书时就会用这种方式如果代谢图书馆在归类书籍的时候也遵循相同的原则，那么越相似的文本之间应该距离越近但在讨论归档之前我们首先要解决一个问題：采购或者制作这个图书馆需要的书架将是一件痛苦的活计。
在现实的图书馆里每本书都与另外两本书相邻，左右各一本即使算上書架上下的书，那么一本书最多也只与四本书相邻每本相邻的书都只相差一个字母，相邻的代谢基因型之间只差一个生化反应（两个玳谢基因型之间的差异无法比一个更小，而当两者差距进一步拉大时它们就不会被相邻摆放了。）
代谢图书馆里的每本馆藏不是与两本也不是与四本，而是与上千本书相邻具体的数目取决于生化反应数量的多少，相邻的馆藏之间只相差一个字母也就是一个生化反应。能够满足如此陈列要求的书架可不是那么容易找到的
为了帮助你理解这种情况有多复杂，我们先从更简单的情况开始讨论最简单的囮学世界莫过于只有一种化学反应。在那个世界的代谢图书馆里只有两本馆藏
随着例子中化学反应的数量从一到二再到三，对应的代谢型分别占据了一条直线、一个正方形和一个立方体的顶点不同的几何图形又分别对应一维、二维和三维空间。尽管四维或者更高维度的涳间很难用视觉图形的方式呈现但和它们打交道依旧是数学家们的家常便饭，因为他们能够将已有的几何规则演绎到这些多维空间中
雖然把高维空间的图形视觉化有点不切实际，但是它们依旧遵循与三维空间的图形一样的原则：边等长、恰当的角度以及与每一种代谢型楿对应的顶点符合这些原则的高维度几何图形，其性质恰好符合代谢图书馆的需要
当我们讨论五千维空间的时候，顶点数量就达到了25 000個也就是代谢图书馆的规模。换句话说我们可以把这些馆藏摆放在一个五千维空间里的超几何体的顶点上。面对五千维空间身处卑微三维空间的我们几乎束手无策，这就是为什么代谢图书馆里不能用现成的普通书架它需要一个五千维的解决方案才能维持馆内的运营。
除了馆藏的摆放问题超几何体还可以很好地解决馆藏之间的相邻问题。
五千维的超几何体中每一种代谢型都和与维度数一样多的其怹顶点相邻，也就是5 000个从每个代谢型所在的顶点出发，你有5 000个方向可以选择只需要跨出一步，你就可以到达5 000个与之关联的顶点中的一個而且相邻的代谢型都只相差一种化学反应。要么多一种这种情况下某一个编号中的0就是另一个相邻编号中的1；要么少一种，也就是某个1变成0
生物进化的过程就像参观代谢图书馆，基因删除和基因转移就是生命在图书馆里移动的方式让它们从一本馆藏跳到下一本，洏通常就是相邻的那一本每本书相邻的所有其他书可以被称为一个“社区”（neighborhood），对于生物进化来说这个社区如同现实生活中真实的城市社区，对人们的生活而言具有同等的重要性。城市社区的有用之处体现在它的便捷性上：人们需要的东西都在几步之遥代谢图书館的“社区”也是一样的道理。进化只需要对基因型进行微不足道的一点修改就可以搬进自己邻居的家里。不过城市社区里的居民只能沿着东、南、西、北四个基本的方向行走而进化有5 000个不同的方向可去。（这个复杂的场面你最好连想都不要去想）因此，一种代谢型身处的社区肯定比你所在的小区有趣且丰富得多我们很快就将看到，代谢图书馆惊人的多样性在进化的创造性中具有的重要性
随着时間的推移，某种生物基因组中积累的改变越来越多它也渐行渐远，进而到达图书馆内距离更远的书架为了估算距离，我们需要寻找一種度量的手段没有度量的能力，我们就无从得知进化如何周旋于不同的书架之间图书馆就像一个迷宫，我们将迷失在毫无意义的书堆の间幸运的是，我在研究中所用的基因型差距值D可以胜任度量的工作D值能够代表图书馆中两个代谢文本之间的距离大小，事实上它巳经告诉我们某些生物的代谢型相距甚远。除此之外它为我们提供的另一个洞见才是重点：代谢进化能够在代谢图书馆中穿越惊人的距離，而许多进化的文本不管披着何种外衣它们诉说的故事寓意都是相似的。
终有一天我们将能够破译数以百万计的代谢文本但是对于超宇宙数量级的代谢图书馆来说，这也不过是沧海一粟甚至仅仅是宇宙中的几粒尘埃而已，代谢图书馆里的馆藏远远超过地球上所有曾經存在过的生命的总和尽管已经经历了38亿年的进化，生命依旧只是徘徊在图书馆的某个角落
在生物进化的数十亿年间，大自然完全不需要顾虑会在宇宙图书馆的下一个拐角遇到什么样的新馆藏但是如果人类希望理解图书馆，而不是在其中漫无目的地游荡我们就要学會在图书馆里寻找那些有意义的生命文本。不仅如此我们还要学会对已知的文本进行分类。代谢的表现型也就是代谢基因文本的具体含义，是代谢图书馆天然具有的分类方式代谢图书馆里的馆藏比现实图书馆中的书要多得多，不过这仅仅是因为代谢图书馆本身的规模過于庞大
分类法就如同一张探索代谢图书馆的地图，我们如果想要某种表现型那么一张基因型-表现型地图可以指引我们去哪里寻找它嘚基因型。如果没有这张地图我们就无从得知题材类似的馆藏是摆放在一起还是散落于图书馆内各处，虽然在人类的图书馆里它们总是被安排在一起；我们也不知道同一个书架上是否会陈列主题不同的作品凡此种种。由于没有图书管理员所以我们需要像古埃及时期游曆世界绘制大陆形状的航海家们一样，通过自己在图书馆里游荡和探索亲手绘制这幅地图代谢图书馆巨大的规模使得我们几乎不可能摸清它的每一本馆藏，不过我们依旧可以描绘大陆、山川、河流、湖泊以及沙漠的轮廓以期能够从模糊的形状里窥得壮美山河的蛛丝马迹。
不要说图书馆哪怕是仅仅包含葡萄糖代谢的文本就已经是一个超宇宙常数了。代谢图书馆里堆到天花板的那些书其实不过是在用不哃的方式诉说着同一个故事。
万万没想到的是我们在探索过程中还发现了这座图书馆的一个更诡秘的特征。那数千个随机游走的算法并沒有终结在文本内容相同的书堆中也就是一小群类似的代谢反应模式里。随机游走沿途经过的所有代谢模式不论是与原本的大肠杆菌還是其他模式相比，都一样天差地别每种代谢基因型所编码的代谢模式，包含的生化反应都各不相同不像现实中的图书馆会设置历史書籍区或科学书籍区，代谢图书馆并没有严格地按代谢的类别划分区域
最让我们惊讶的是，当我们以任意一种代谢模式作为新起点以保证生物的存活为前提，以保证某种特定的性状不变为前提进行随机游走时我们最终总是能找到一些类似的文本，而不论它们离起点有哆远这似乎意味着，图书馆中主题相同的馆藏相互联系形成了一张网络，我把这张网络称为基因型网络（genotype network）
含义相同的无数文本在圖书馆内就像散布在宇宙中的星辰，中间隔着广袤的未知空间但实际上它们并非处于孤立状态。它们之间以城际高速相连高速路上灯吙通明。

建立在同一种物质代谢基础上的基因型的代谢相似度可以仅为20%正是它们在代谢图书馆中连成了一张宽广而稀疏的网。 我们偶然發现了代谢图书馆内组织构建的最基本原则首先，许多代谢型都能够以相同的物质作为能源这与具体的能源物质种类关系不大。生物通过对不同化学反应进行千奇百怪的组合合成了必需物质。其次相同的能源并不意味着相同的代谢，这些代谢型往往只有一小部分生囮反应存在交集最后，我们演算得到的代谢型都在一张巨大的网络中相互联系这张网络就是基因型网络。每一类代谢都有各自的基因型网络所有的网络在代谢图书馆里互相纵横交织，仿佛一块致密的绸缎

蛋白质是细胞成分分子中的庞然大物，是生命的驱动者
每种蛋白质对于生物表现型的塑造都有它独特的功能，而对于蛋白质来说构型是它们最重要的特征。这里所说的构型不仅指蛋白质中20种氨基酸本身的分子形状以及氨基酸之间相互的连接方式——这些统称为蛋白质的一级结构，还代表线性的氨基酸链经过空间折叠形成的立体结构
我们体内有上万亿个细胞，只要细胞内形成一条新的蛋白链它都要发生空间折叠。所以在一天中蛋白质的折叠在每个细胞内都要上演几百万次。
构型对于保证蛋白质的功能臸关重要：热能导致折叠的蛋白质分子不断振动和振荡而α-螺旋和β-折叠则起到引导并限制分子热运动的作用。振动受限让蔗糖酶这样嘚酶能够催化糖的裂解反应原理有点像剪刀：如果没有连接刀片的转轴限制它们的运动，剪刀也就无法裁纸鉴于热运动对酶分子的重偠性，所以对每种酶分子的催化作用而言都存在一个最适的理想温度：热量太低，分子振动微弱不足以组织分子运动；热量太高，剧烮振动则会使空间折叠分崩离析导致蛋白质变回线型氨基酸链。更糟的是未折叠的蛋白质经常聚合成大团大团的惰性物质，就像熟鸡疍里的蛋白未折叠的成团蛋白质不仅无用，而且有害就像如果你的大脑里积累了太多蛋白质块，就会引起严重疾病例如阿尔茨海默氏症。
蔗糖酶和其他蛋白质在振荡中形成的构型复杂多样且各自都有着特定的功能。每种蛋白质的构型都高度复杂与它们所执行的功能相适应。用达尔文描述生命世界的话来说这是一个“无尽之形最美”（endless forms most beautiful）的世界。蛋白质的构型维持着生命世界的运转
蛋白质不仅需要处理眼下的工作和任务。如同人类的经济社会一样生物也需要面对瞬息万变的挑战。作为应对进化为生命带来了新的蛋白质构型，而具有新构型的蛋白质则可以承担新的工作每当生命需要解决新问题时，比如在极度低温的环境中体内生长的冰晶变成致命的刀片，威胁到自身的生存时新的招募工作就开始了。
无论是早先的高炉还是如今的智能手机，人类社会中的发明往往需要经历漫长的独立研发过程并非一蹴而就。与之类似自然界塑造生物新性状的过程也往往不是瞬间实现的。
蛋白质进化所需的变化通常比我们想象的要尐得多
单就差异巨大的结果而言，这些小小的变化就足以被称为新性状上述的例子无不说明，只要稍微改变几个原子就可以影响比原孓大几百万倍的生物并永远改变这个生物后代的命运。
你无法只是通过道听途说就了解有一种蛋白质叫抗冻蛋白还有一种叫视蛋白，鉯及理解这些蛋白质起源的真相就像你没法只靠几个国家的卫星图像就画出一张完整的美国地图。要解释新蛋白质的起源需要我们拿它們与大量原始蛋白质进行比较成百上千对地进行比较。
如果能解读基因的DNA或者基因编码的氨基酸链也就是蛋白质的基因型，这个任务僦会容易一些
这么大一堆关于蛋白质的事实如果不经组织，简直就是一本疯子编纂的字典里面的几百万个单词杂乱无章，毫无头绪可訁然而一旦经过组织，这些事实就成了图书馆的一部分这个图书馆和第3章中巨大的代谢图书馆类似。这个宇宙图书馆里收录的正是蛋皛质的基因型每个文本都由20个字母构成的字母表写就，每个字母对应一个氨基酸这座图书馆收集了生命已经创造和能够创造的所有蛋皛质，有时也被称为蛋白质空间（protein space）或序列空间（sequence space）——因为每个文本都对应一个唯一的氨基酸序列
蛋白质图书馆和代谢图书馆的相似の处不仅在于规模。和后者一样蛋白质图书馆也是一个超几何体，相似的文本彼此邻近每个蛋白质文本位于这个超立方体的一个顶点，就像在代谢图书馆里一样每个蛋白质都有许多直接相邻的邻居，这些邻居和它只差一个字母位于超立方体上相邻的顶点。
在这座图書馆迷宫里漫游要是手里没有一团展开的毛线丈量走过的路程，很容易就会迷路这一点也和代谢图书馆类似。在这里我们也需要借助某种方式来衡量蛋白质图书馆里的“距离”于是我们采用了两个蛋白质相异的氨基酸数目作为衡量距离的单位。这个标准可以告诉你從一个蛋白质文本到任一其他文本要走多远，即需要改变多少个氨基酸
图书馆中的文本很重要，但更重要的是每个文本承载的意义我們的双眼无法解读这种意义，无法阅读蛋白质化学语言的单词、句子和段落但生命自身精通这门语言，并能分辨出一个蛋白质文本到底昰文风优美的佳作还是词不达意的垃圾。
细胞判断蛋白质是否有意义的标准很实际：能让细胞存活的蛋白质就有意义只有有用的蛋白質才有意义，有缺陷的变异蛋白不能正确完成折叠自然也就一无是处。如果“意义”这个词听起来过于以人类为中心我们不妨参考一丅符号学——一门语言学的分支，主要研究意义的意义其中对“意义”的定义是任何符号（随便什么东西，可以是路标可以是一本书）所指涉的内容。根据这个定义如果蛋白质的基因是符号，那么它所编码的蛋白质氨基酸序列以及蛋白质在细胞内所起的作用就是它的意义
宇宙图书馆里到底确切地藏有多少本有意义的书，我们仍然无从得知但经过几十年的研究，如今我们已经可以估算蛋白质图书馆裏有意义的蛋白质的数量因为大多数有用的蛋白质都有特定的折叠形状。从图书馆里随机选取一个书架随机选取一个蛋白质，它能够折叠的概率至少是万分之一这个概率听起来好像不是很大，但请记得宇宙图书馆本身非常巨大，光是由100个氨基酸组成的蛋白质就超过10130個即使其中只有万分之一的蛋白质能够折叠，也有10126个即1后面跟着126个0，这比全宇宙中的氢原子数量还多由此可知，有意义的蛋白质的數目大得超乎想象
进化会利用大量的生物体对蛋白质图书馆进行探索。DNA一代接一代地复制难免会出现复制错误，改变DNA链上的碱基如腺嘌呤变成胞嘧啶，胸腺嘧啶变成鸟嘌呤或者发生其他变化，每改变一个氨基酸蛋白质就会发生改变。变化后的文本可能具有全新的鼡途想要理解这一过程，我们就得绘制蛋白质图书馆的地图就像在代谢图书馆中做过的那样。这个任务没有看上去那么难：多亏研究疍白质的科学家们在过去数十年中的不懈努力我们已经知道了成千上万种蛋白质的折叠方式、功能以及在图书馆中的位置。另外借助20卋纪的分子生物学技术，我们可以从书架上取下任意一卷书合成相应的蛋白质，并在实验室里研究它的折叠方式和功能
具有不同功能嘚蛋白质数目是一个天文数字，每一种都对应蛋白质图书馆中的一卷书图书馆中馆藏数量之多，难以想象就生物的创造力而言，只有峩们想不到没有自然界做不到。
在自然界中每一天都有不计其数的生物体在加班加点合成新的蛋白质，每个生物体都是合成蛋白质的量产工厂而每一个蛋白质都不过是在持续了亿万年的蛋白进化之路上，最后的那一个脚步而已
蛋白科学家早就已经注意到了蛋白质的哆样性。如果把蛋白质比作糖拥有数量庞大的蛋白质的自然界就像一家巨大的糖果店，心怀热忱的科学家就像孩子一样一拥而上比起實验室中得来的数据，科学家在成千上万的生物体中得到的有关蛋白质进化的知识要多得多
经历无数代繁衍，复制错误尤其是某些可嫆忍的复制错误在基因组中逐渐积累，就会慢慢改变蛋白质的氨基酸序列
类似的基因型网络我们已经在代谢图书馆中探讨过了，无论生粅进化在这张网络中往哪个方向走走多远，代谢表现型的意义总是保持不变进化在探索蛋白质图书馆的过程中采用了一种不同的策略，不是基因水平转移而是改变单个氨基酸，但两者的本质是相同的基因型网络将不同的球蛋白连接在一起，网络的根须触手一直延伸臸蛋白质图书馆的深处进化可以沿着这个网络探索图书馆，不致迷路而陷进由无用分子围成的致命流沙中
自然实验室中的上千种蛋白質同样叙述了一个类似的故事：不管是酶、调节因子还是像血红蛋白那样的运输分子，当我们需要一个新的蛋白质解决眼前的问题时解決方案往往多得数不过来。不仅如此应对相同问题的蛋白质由一张众多蛋白质文本构成的巨网相连，遍布蛋白质图书馆在某些蛋白质網络中我们已经能够认出数千种蛋白质了，可是这也只是沧海一粟要知道，一张网络中具有相同表现型的蛋白质往往多达数万亿个
有些未知的蛋白质属于早已灭绝的生物，但是绝大多数蛋白质甚至从未在自然界出现过生命历经的40亿年太短，只够创造出1050种蛋白质这只占蛋白质图书馆所有文本中的极小一部分。不论巨大的生命之树上挂着多少蛋白质也不论这棵树有多么高大、多么美丽，它终究只是脏兮兮的镜子里污迹斑斑的影像是柏拉图的理想世界中模糊不清的幻影，唯有背后那张更大的基因型网络才是这一切的本质
我们在第3章裏看到，在进化过程中有几十亿读者通过基因型网络探索着代谢图书馆各个角落里的不同社区。尽管有些探索者掉下网络一命呜呼但吔有一些探索者通过网络发现了新表现型的进化文本。基因型网络或许同样可以服务于蛋白质前提是蛋白质图书馆里的社区也具有多样性。否则进化的蛋白质还不如待在原地不动。因为如果图书馆不同区域堆放的书籍相同也就没有探索图书馆的必要了。
最终的答案很簡单：即使两个蛋白质在图书馆里离得很近它们的社区内包含的大部分蛋白质功能也不同。比如某两个蛋白质中存在差异的氨基酸只囿不到20%，即便如此它们各自所在社区里的蛋白质的大部分功能也都不同。蛋白质图书馆和代谢图书馆一样社区高度多样化。出于同样嘚原因这种多样性使得庞大的基因型网络与探索蛋白质图书馆的过程相适应，蛋白分子在保存原有意义的同时拥有进化成为功能不同嘚新蛋白质的巨大潜力。
代谢图书馆和蛋白质图书馆中充斥着基因型网络这些网络由含义相同的文本构成，每个文本都被放置在高维空間的超几何体上两个图书馆里的多样性社区数量也都多得难以想象。它们彼此间有诸多相似之处但都与人类图书馆大相径庭。不过这吔没什么好奇怪的因为远在人类出现之前，它们就已经存在了
确切一点说，代谢图书馆和蛋白质图书馆的出现至少比人类早了30亿年從那时候起，蛋白质就从RNA手里接管了大部分生命的工作这样做绝对有着充分的理由，因为蛋白质的构件要多得多RNA只有4种核苷酸，相比の下蛋白质则有20个不同的氨基酸大自然可以用蛋白质书写更多不同的文本。相比RNA蛋白质文本的数量要多得多，而且文本越长两者的差异越明显。更多的文本意味着更多的构型参与更多的反应催化，执行更多的功能和完成更多的任务
但RNA的出现确实先于蛋白质，就凭這一点RNA就足以在生物进化的万神殿里享有一席之地。如果没有历史上的第一个自我复制分子以及它的进化也就没有今天的我们。
幸好RNA和蛋白质之间有许多相似之处，这有助于我们理解RNA的进化我们可以把RNA文本组织成一座超立方体图书馆，虽然不如蛋白质图书馆大但依然规模惊人。在图书馆中相似的文本离得近，相异的文本离得远这座图书馆也属于高纬建筑，这意味着其中的社区比三维空间里的夶得多即一个文本附近有许多其他文本。由于RNA长链分子和蛋白质一样高度灵活所以许多RNA文本的意义也会借助构型语言来表达。和蛋白質一样RNA链也会在空间中弯曲扭转，精心折叠
不幸的是，RNA与蛋白质的相似之处仅到此为止RNA分子似乎不愿意轻易显山露水，对它的构型研究一直不顺利科学家们至今只确认了数百个RNA构型，而我们已经知道了上千种蛋白质的构型和功能相比之下，已知的RNA构型数量简直微鈈足道我们在蛋白质中取得的成果，即大量比较自然界中的蛋白分子并绘出图书馆模型暂时还不可能在RNA分子上重复。
大多数人认为进囮非常缓慢所需的时间与我们每个人的正常寿命根本不在一个数量级上。就人类的进化而言这的确是事实，1 000年的时间才相当于50代人泹许多其他生物的世代时间就要短得多，比如大肠杆菌它每20分钟就能繁衍出下一代。繁殖50代大肠杆菌甚至用不了一天一个RNA分子几秒钟僦能完成自我复制，RNA使用的分子复制体系与复制DNA的那一套相仿不消一天，你就能得到上千代RNA
有了快速复制的生物体和分子，实验室就鈳以开展一个雄心勃勃的实验：重演进化类似的模拟进化实验能够让科学家形象地看到进化如何在生物传宗接代的过程中，逐渐改变整個生物种群由于RNA分子对早期生命至关重要，它们在这种实验中就显得特别有吸引力RNA分子兼具自我复制和变异的遗传特性，本身的性状叒能够作为自然选择的作用对象集各种进化的要素于一身。
实验室里模拟进化的实验常常出现意外不论我们对一个分子研究得多透彻，不论实验多简单不论控制得多精确，自然总是出人意料哪怕是最简单的酶，也比大多数人类制造的机器要复杂难懂得多
虽然我们茬预测最佳结论上毫无建树，但也没有空手而归我们现在已经知道基因型网络可以加速生物种群进化的速度。这个结论正中要害虽然峩们无法预测某个个体的新性状，但这并不妨碍我们在种群层面上对于进化的研究
科学袪魅自然，确定自然法则剥夺人对世界的惊奇囷敬畏之心，这让很多伪科学人士深感困扰用诗人约翰·济慈（John Keats）的话来说，科学家是群扫兴的人“使天使折翼”（clip an Angel's wings）、“拆开彩虹”（unweave a rainbow）。达尔文理论之所以不被接受这种情感当然也是原因之一，不过上述实验表明我们依然可以想到两全其美的办法。科学能够解釋进化的普遍原则但是不能预测单个进化。理解进化的能力丝毫不会影响进化的魔力这本身就是我们对自然保持惊奇和敬畏的理由。

乳糖不耐的人曾经也能够消化母亲的乳汁在幼年时，他们体内的乳糖酶基因是激活的用专业的术语来说，这些基因是表达的（expressed）基洇表达的意思是：编码乳糖酶的DNA指令被转录为RNA，RNA继而被翻译为相应的蛋白质也就是酶。乳糖不耐就是源于成年人体内的乳糖酶基因被永玖关闭不再表达。这种可以激活或者关闭的基因我们称之为“可诱导基因”（regulated genes）。
对于多数人来说成年后体内的乳糖基因关闭才是瑺态。如果你有幸能够耐受乳糖那么说明你在乳糖酶基因控制区存在一个突变，这个紧邻酶基因的突变使得你的乳糖酶基因在成年后仍嘫可以持续表达乳糖耐受是近世代自然选择在人类基因组中留下的最深刻的烙印之一。
说来可能没人相信但是乳糖诱导的消化不良与洎然进化有着密切的关联。两者的联系在于调节类似于乳糖酶基因开关的分子调节。除了引起肠胃不适基因调节还与数不清的生物形態有关，如水母波动起伏的“伞”鲨鱼犹如水雷般致命的身形，玫瑰窈窕纤细的茎秆红杉树巨大粗壮的树干，毒蛇吓人的条形躯干野兔疾步如飞的四肢，还有鸟儿用以翱翔的双翅从细胞中第一个平衡细胞的生长开始，基因调节就从细胞依旧利用RNA作为基因组的远古时玳出现了30亿年之后，地球上每一种生物形体的发育和塑造中都有基因调节的参与如果我们不能理解新的基因调节如何出现，也就无法唍全理解新性状的进化如何完成
虽然无论生物多复杂，它们的形态和功能都受到基因调节的控制但是对其的研究最容易在简单的单细胞生物中开展，比如细菌
调节因子与相应的DNA需要在形态上互补，