幾十年來，許多進化生物學家一直相信，大多數產生基因和蛋白質的遺傳變化是中性的。根據這種觀點，突變通常既無益也無害。導致它們靜靜地傳播，而不會受到自然選擇的青睞或拒絕。
密歇根大學的一項新研究挑戰了長期存在的假設，並表明進化的運作方式可能與之前認為的截然不同。
中性進化論回顧
當物種進化時，隨機基因突變也會發生。其中一些突變已得到糾正。這意味著它們將會傳播，直到人口中的每個人都發生變化。進化生物學家張建志解釋說，中性分子進化理論認為，到達這一階段的大多數突變都是中性的。
張和他的同事打算通過更仔細的檢查來測試這個想法是否成立。他們的結果指出了一個重要問題。研究人員發現，有益突變發生的頻率比中性理論允許的要高。同時他們注意到，突變在人群中固定的總體比率遠低於預期。如果發生許多有益的突變
為什麼有益的突變常常不能持續存在？
為了解釋這一矛盾，該團隊提出了一種植根於環境變化的新解釋。當條件發生變化時，在一種環境中提供優勢的突變可能會變得有害。由於環境頻繁變化，許多有益的突變從未傳播得足夠廣泛而無法被糾正。
該研究由美國國立衛生研究院贊助。已發表於 自然生態與進化–
“我們說結果是中性的。但過程並不是中性的，”密歇根大學生態學和進化生物學教授張說。 “我們的模型表明，自然種群無法真正適應環境。因為環境變化非常快。而種群總是在追逐環境。”
張將這個框架稱為“具有拮抗多效性的自適應跟踪”。這個概念有助於解釋為什么生物體往往不太適應周圍的環境。
這對人類和其他物種意味著什麼？
張認為這一發現具有深遠的影響。包括人類。現代環境與我們的祖先所經歷的環境有很大不同。這可能有助於解釋為什麼某些遺傳特徵對我們不再像以前那樣有用。
“我認為這有更廣泛的影響。比如人類，我們的環境發生了很大的變化。而且我們的基因可能不是最適合今天的環境的。因為我們經歷過很多其他的環境，一些突變可能對我們舊的環境有利。但它與現在不相符，”張說。
他補充說，人口的適應能力取決於環境最近發生的變化。
“每當你觀察一個自然種群時，這取決於環境上次發生重大變化的時間。一個種群可能不會很好地適應，也可能會適應得很好。但我們可能永遠不會看到一個種群完全適應其環境。因為完全適應所需的時間比大多數自然環境所能承受的時間要長。”
科學家如何研究有益突變？
分子進化的中性理論於 20 世紀 60 年代提出，當時蛋白質和基因測序的進步使科學家能夠在分子水平上研究進化。相反，只關注形狀和結構等物理特徵。
為了測量有益突變發生的頻率，張和他的團隊分析了他們自己和其他實驗室創建的大型、深入的突變掃描數據集。在這些實驗中，研究人員有意在酵母和大腸桿菌等生物體的單個基因或基因組部分內創建許多不同的突變。
然後他們世世代代地追隨這些生物。並將它們的生長與自然生物進行比較。或自然界中最常見的形式，通過測量生長差異研究人員可以評估突變是否有助於或損害有機體。
結果顯示，超過1%的突變是有益的。這個比率遠高於中性理論的預測。如果這些有益的突變得到糾正，幾乎所有的基因變化都是有益的。進化的速度實際上比科學家觀察到的要快。這種認識導致團隊對環境恆定的假設提出質疑。
在不斷變化的環境中測試進化
為了探索環境變化的影響，研究人員研究了兩組酵母。一組在穩定的環境中進化了800代（每代需要3小時）。第二組進化了相同數量的代數。但在由 10 種不同類型的培養基或生長解決方案組成的不斷變化的環境中，每種培養基在過渡到下一個培養基之前都會使用 80 代。
與穩定環境中相比，暴露在改變條件下的酵母顯示出更少的有益突變。雖然有益的突變會發生，但很少會發生足夠長的時間以在條件改變之前傳播。會再次改變
“這就是不一致的根源。雖然我們在給定的環境中觀察到許多有益的突變，但這些有益的突變沒有機會被糾正。這是因為當它們的頻率增加到一定程度時，環境就會發生變化，”張說。 “舊環境中的那些有益突變在新環境中可能會變得有害。”
限制和後續步驟
張警告說，這項研究的重點是酵母和大腸桿菌，它們是單細胞生物，突變的影響可以更容易地測量。需要來自多細胞生物的數據來確定相同的模型是否適用於更複雜的生命。包括人類還是不包括人類？
研究小組目前正在計劃進行後續研究，以更好地了解為什麼即使環境保持穩定，生物體也需要這麼長時間才能完全適應。
該研究的其他作者包括前澳大研究生宋思良和沈旭康，以及前澳大博士後研究員陳飄飄。
