地球重启，生命还会长现在这样吗？环球科学
20世纪末，美国古生物学家斯蒂芬·杰伊·古尔德（Stephen Jay Gould）提出了一个著名的思想实验：如果我们把地球生命的演化史比作一卷录像带（tape of life），那么把这卷录像带倒回到远古时代，再重新播放一遍，地球上的生命还会演化成今天的样子吗？
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古尔德倾向于否定的答案。在他看来，生命的演化是一连串偶然事件叠加后的结果。一个谱系在某个关键时刻是否能幸运地存活下来，或是一场灾难有没有按时降临，都有可能把生命推向完全不同的方向。这个观点引发了演化生物学家关于“偶然性”和“必然性”的长期讨论。
然而，这个假说之所以被称为思想实验，就是因为它几乎不可能在野外测试。毕竟，我们不可能真的把地球倒带。因此，许多科学家把这个问题搬进了实验室。
实验室里的演化
在这个领域，最著名的一项研究大概就是理查德·伦斯基（Richard Lenski）从1988年开始的大肠杆菌实验。他将常见的大肠杆菌分装到12个三角瓶里，每个三角瓶都装有同样的培养液，并放置在同样的温度下培养。
每一天，三角瓶里的大肠杆菌都会产生6代全新的大肠杆菌，而伦斯基会提取出其中的一些大肠杆菌，放到新的三角瓶里继续培养。
2003年，伦斯基迎来了一个重要发现。他来到实验室，发现一个三角瓶里的培养液已经变得非常浑浊，这说明其中的大肠杆菌数量正在疯狂增长。这是因为这批大肠杆菌演化出了一种特殊的能力——普通的大肠杆菌只能消化葡萄糖，而它们学会了（在有氧条件下）代谢柠檬酸盐。
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在早期的分类学研究中，大肠杆菌作为一个独立物种的特征之一，就是无法利用柠檬酸盐进行有氧生长。而在伦斯基历时30多年的大肠杆菌研究中，即使历经超过6.5万代的演化，从没有另一支大肠杆菌能重现这种能力。
研究团队推测，大肠杆菌可能需要先积累一系列特定的突变作为铺垫，再默默等待一个罕见突变，像开关一样开启整个流程。而这群特殊的大肠杆菌，也成为了偶然性推动演化的关键例证。
然而，今年一项发表于《自然·通讯》（Nature Communications）的研究，为这个问题提供了另一个层面的答案。
研究者整理了10项实验室演化研究中的数据，其中涵盖了22种不同环境，覆盖了1种原核生物和5种真核生物。但特别的是，他们并没有对比不同群体间的基因组，也没有对比它们展现出的性状差异，而是对比了转录组数据。
简单来说，转录组体现的是生命在如何使用基因。我们的DNA并不是随时随地都在工作，某个基因要发挥作用，通常要先被转录成RNA，再进一步指导蛋白质的合成。转录组就是这些被转录出的RNA总和。研究者希望观察，如果这些种群在同一个环境中演化，它们使用基因的方式是否会相似？
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结果是出人意料的“可重复”。研究发现，在同样环境中演化的平行种群之间，不仅往往会使用同一批基因，而且使用的方式也很一致。“与几乎不可重复的基因型演化相比，”论文中写道，“至少在基因表达的层面，为了适应环境，这些种群在表型上的演化具有相当高的可重复性和确定性。”
在过去的研究中，就像大肠杆菌实验，基因型的演化往往非常随机。而研究者指出，基因表达与基因型在演化中的差异，可能是源于相同的表现型可以通过许多种基因型实现。从基因型，到基因的表达方式，再到最终表现出的性状，这一系列链条中，可能每个环节都存在着多对一的结果。因此，当自然选择作用于表现型的时候，链条上游就拥有更灵活多变的可能性。
不过，这项研究并没有彻底终结古尔德的问题。首先，它分析的数据来自实验室中的实验。实验室研究的优势是可控：起点一致、环境相同。但正因如此，它可能排除了生命演化中最难控制、也最重要的一部分——环境本身的复杂性。
实验室中看到的重复或不重复，并不一定能直接代表自然界中的现象，奥地利维也纳兽医大学的演化生物学家克里斯蒂安·施勒特雷尔（Christian Schlötterer，未参与这项研究）指出，他致力于利用果蝇探索生命演化的规律。在某些时候，研究者以为自己看到的是人类设置的特定选择条件在基因中留下的痕迹，然而其中的某些重复效应，可能仅仅是来自共同的实验室环境。
2022年，施勒特雷尔和同事在《英国皇家学会会刊B》（Proceeding of the Royal Society B）发表的一项研究就指出，起初研究者设置了18摄氏度和29摄氏度的不同生存环境，希望能观察果蝇对高温的适应性，却发现实验中的果蝇总是呈现出相似的演化方向，无论是表型还是基因型。最终的研究发现，这是因为这些果蝇生活在同一个实验室，它们呈现出的变化不是对温度的适应，而是对生存地点和食物的适应。
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“不过，从基因的表达方式入手是一个很好的角度，” 施勒特雷尔说道，尤其考虑到，当某种生物适应环境时，可能会对同样的选择压力演化出非常不同的应对策略，有时我们可能无法识别它们在表现型上的一致性——而这种一致或许可以体现在转录组中。
这也涉及对古尔德问题的另一种理解，古尔德所强调的“随机性”可能并不只是来自基因突变或是遗传漂变这样的生物学过程，也来自地球环境本身的偶然性。如果恐龙没有在6600万年前遭遇大灭绝事件，哺乳动物是否还有机会繁衍壮大？如果某次冰期来得更早或更晚，人类的历史是否会改变？在这种尺度上，生命倒带的假设不止是让同一个种群在培养基里再来一次，而是让整个地球系统重新运行。这项新研究的作者也指出，他们主要讨论的是突变、漂变等内在随机过程——但随机性同样可能来自自然灾害、天气事件等环境波动，而多数实验演化研究恰恰排除了这些波动。
https://www.nature.com/articles/s41467-026-68838-x#Sec8
https://royalsocietypublishing.org/rsfs/article/5/6/20150057/27558/Replaying-the-tape-of-life-in-the-twenty-first
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam5979
https://royalsocietypublishing.org/rspb/article/289/1985/20221857/79603/Genome-wide-selection-signatures-reveal-widespread
https://www.newscientist.com/article/dn26857-tape-of-life-may-not-always-be-random/
