基因變異有特定的方向么？

11-30

一般的觀點是說變異的產生是隨機的，自然選擇決定進化方向。今天看了一篇博文 http://www.geekonomics10000.com/591 提到了一個新的觀點「基因變異有特定的方向」，靠譜么？

傳統教科書中的自然選擇，說基因突變完全隨機，進化是為適應環境來決定哪種變異被保留。而在過去三十年，科學家開始使用非線性數學和計算機模擬的手段來研究進化論，其得出的最關鍵思想，就是進化不是完全隨機的。所有動物的視網膜上都有同一種叫做視紫紅質的特殊蛋白質，它的作用是把眼睛接收到的光能變成電信號傳輸給視覺神經。在所有可能處理光信號的蛋白質分子中，視紫紅質的性能是最好的，生物進化早在幾十億年前就發現了這個完美分子的結構，而且從沒有變過。如果進化是完全隨機的，那麼在所有可能的蛋白質分子中找到這麼一個完美分子，就好像在茫茫宇宙中找到一顆特定恆星一樣困難。這還不是最可怕的。分子生物學的研究表明，視紫紅質是在古細菌和真細菌這兩個進化路線上完全獨立的分支上分別被進化出來的。也就是說進化不但找到了這個分子，而且還找到了兩次！從統計角度完全隨機的進化絕對做不到這一點。
所以有些最新的進化論學說認為生物通過細胞的新陳代謝之類的過程，存在一個自組織的機制，使得基因變異有一個特定的方向。而這種學說的關鍵證據，在於生命組織的形成方法是有限的。

有意思，這博客里的很多故事我都知道，我也對歷史的必然和偶然感興趣，但是，同樣的例子，我的結論不盡相同。

先說一個，

再比如說翅膀，世界上可能只有一種形成翅膀的方法，所以蝙蝠、鳥類和翼手龍雖然獨立進化，其翅膀結構卻是一樣的。

這裡的翅膀，顯然只是脊椎動物的。

而上文中這三種翅膀，還正好是脊椎動物中三個不同的翅膀進化方式：蝙蝠是手成翅，鳥是胳膊成翅，而翼手龍是指頭成翅。至於這算不算是一樣結構，見仁見智。

(圖片取自 Sean Carroll 的 Endless Forms Most Beautiful）再比如：

人眼這個結構不但出現在哺乳動物中，而且出現在六種不同的生物種類中 — 這六個物種的共同祖先是沒有眼睛的，它們是在進化史上分道揚鑣以後才各自獨立地進化出來了眼睛，而且是同一種眼睛。更進一步，組成眼睛一共就只有九種方法，而這九種方法都被進化所發現了。

這眼有多少種結構，我是不知道的，但我知道，這眼睛自打五億年前出現，到現在，決定眼睛長在哪裡的基因，就是 Pax6，不知道是不是所有動物，但應該基本都是如此。

對應理論是，要麼這個 Pax6，或者說整個 Pax 家族，被不同物種反覆發現，要麼就是大家都是從一個根出來的。

我傾向於後一種。不能說全中，但絕大部分情況下，這些重要的基因單元，都是同源的。

再比如，文中說：

在所有可能處理光信號的蛋白質分子中，視紫紅質的性能是最好的，生物進化早在幾十億年前就發現了這個完美分子的結構，而且從沒有變過。

好，那我取兩個視紫紅質基因序列，就是人的和小鼠的：

人：RHO rhodopsin [ Homo sapiens ]
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?db=genecmd=retrievedopt=defaultrn=1list_uids=6010
小鼠：Rho rhodopsin [ Mus musculus ]
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?db=genecmd=retrievedopt=defaultrn=1list_uids=212541

用 blastn 作基因比對，序列很長，結果我只取第一段 540 個核酸：

可以看見，相似度極高，83％，p-value 是 10－152，說明是同源的，但，怎麼也不能說是從沒變過吧？只能說是高度保守，功能極其相似。這不恰恰是進化選擇的結果么。

如果不是這樣的話，所有的基因序列分析，什麼同源基因理論，都沒法玩了。當然不是說這些既有的理論一定對，而是說，這文中的理論，如果只按這字面的理解，絕不是進化生物的主流。

事實上，按這理論，我完全就可以導出神創論出來：既然進化不隨機，那為什麼偏偏是最完美的結果被選中呢？那一定是冪冪中有人定的。

你可以去信這個，但不要跟進化論混在一起。

最後說，變異有沒有方向。

當然有的。

比如 ACGT 四個核酸，共價鍵的強弱都不一樣，加上前後核酸的影響，當然發生變異的機會是不是樣的。所謂隨機總有個分布，而分布並不是想像中的，所有可能都一樣，而方向，也不是說一定會怎麼樣，而只是某種可能更大一點。像紫外線照射，就會製造著名的「UV signature」變異，就是指 C-&>T 變異，而少有其他變異，這也是很多黑色素瘤的特徵。

當然，這個只是在變異尺度上的，這個方向，和我們通常說的在功能尺度上的方向，是有相當的距離的，這樣看，說這些變異本身沒有特定的方向，也沒問題。

最終，變異和選擇是一個複雜的體系，變異的方向性，還是要同時看生存壓力，是否有進化優勢。變異只是個起點。

隨手寫寫，有很多不嚴謹的地方，大家見諒。

進化不是隨機的，但突變是隨機的。

在你的問題中，這兩個概念被嚴重混淆了。
你所說的「突變不是隨機的」，其中的「突變」指的不是歷史上發生過的全部突變，而是那些已經被自然選擇固定下來的有利突變。
在這個意義上來說，「突變」的確不是隨機的，因為自然選擇不是隨機的。

這種非隨機性體現在進化的結果上是很明顯的。視紫紅質是一個例子，但不像你想的那麼驚人。蛋白質分子中殊途同歸的例子遠不止這一個。
在宏觀性狀上，這樣的例子也很多，稱為趨同進化。比如飛鼠的翼膜、鼴鼠的眼睛，都是高度特化的器官，但在澳大利亞的有袋類哺乳動物中，都獨立進化出了同樣會飛的翼膜和退化的眼睛。這樣的性狀牽涉到更多的基因和蛋白的改變，在我看來比視紫紅質的趨同進化更「不可思議」。

多說一句，這種自然選擇的非隨機性體現為進化的有向性。注意，不是從低級到高級這種有向性（這在進化論中是錯誤的概念），而是向著更適應環境需求的方向進化。這裡的」環境需求「是廣義的，比如在視紫紅質的例子上，就是指對於高效感應光線的需求。
這種有向性正是我主張evolution應翻譯為「進化論」的主要原因。（參見我對另一個問題的回答：http://www.zhihu.com/question/20214570/answer/14360326）

有人總結說，進化論是「對隨機突變的非隨機選擇」。我想這句話是對這個問題的最好回答。

假設引文中沒有虛假信息

而在過去三十年，科學家開始使用非線性數學和計算機模擬的手段來研究進化論，其得出的最關鍵思想，就是進化不是完全隨機的。

這句話說的是「進化」不是完全隨機的，起先我想，這個我們知道很久了，過去三十年得到了什麼東西？然後看到「非線性數學和計算機模擬的手段「，猜測是指中性漂變，可以理解為沒有生存壓力的前提下，進化出現方向性的概率仍然不小。

生物進化早在幾十億年前就發現了這個完美分子的結構，而且從沒有變過。

這句話說的不就是選擇壓力使得這個分子維持現狀咩？

如果進化是完全隨機的，那麼在所有可能的蛋白質分子中找到這麼一個完美分子，就好像在茫茫宇宙中找到一顆特定恆星一樣困難。這還不是最可怕的。分子生物學的研究表明，視紫紅質是在古細菌和真細菌這兩個進化路線上完全獨立的分支上分別被進化出來的。也就是說進化不但找到了這個分子，而且還找到了兩次！從統計角度完全隨機的進化絕對做不到這一點。

這個觀點和所有「進化出智能生物的概率太小所以一定有神創」的觀點一樣，概率算錯了。

所以有些最新的進化論學說認為生物通過細胞的新陳代謝之類的過程，存在一個自組織的機制，使得基因變異有一個特定的方向。

這句話前言不搭後語，「自組織」現在就是一個筐，什麼都往裡丟，都不去搞搞明白什麼是自組織。這也不是什麼新概念了，前面我說概率算錯了，也是因為計算的時候沒有考慮實際過程（「自組織」以及優化出來的東東會被保留下來）。

而這種學說的關鍵證據，在於生命組織的形成方法是有限的。

這句話真心沒看懂。
回答提問者問題：
DNA鹼基對的突變是隨機的，新性狀的出現已經有了一定的方向（致死突變都死在娘胎了），進化的方向是由生存壓力和中性漂變決定的。

從外在來說，存在選擇的壓力，所以理論上是隨機事件的基因突變，會被選擇所修正；從內因上說，某些片段和序列傾向於發生突變（比如存在迴文結構，鏈內配對，以及生理條件下跟蛋白相互作用時的構象變化等等），或者是某一個基因突變後，增加了整個基因組的不穩定性，這都是所謂「定向性突變」的基礎。

首先我覺得進化本身就不是隨機的。因為物種是受到生存選擇的壓力的，所謂適者生存，不適合的要被淘汰。所以進化是有規律可循的。
另一方面，我傾向於單個鹼基的突變是完全隨機的，沒有任何規律的。這個就是所謂的中性理論的核心吧。注意是鹼基突變而不是進化。
但是為什麼我們觀測的結果是某些鹼基特別容易突變或者缺失，我覺得是因為自然選擇造成的。可以假設有一個基因，它轉錄的蛋白控制著生命體的關鍵性狀，如果這個基因某一個關鍵位置的鹼基發生了突變，導致這個基因的表達出現了問題，於是這個生命體就死了。於是這個突變體也就沒有將自身傳給下一代的可能，也就是說，不存在了。當然大部分時候沒有我描述的那麼極端。但是可以肯定的是，在真基因中，絕大部分的突變都是有害的，並且能夠被保留的突變一般都出現在密碼子的第三位鹼基，即同意突變。偶然有一些鹼基的突變導致生命體對環境適應能力增強，因此該基因被複制遺傳給下一代的可能性會大大增加，於是導致了進化。
這是我對中性理論的一點理解。
至於第二個找到兩次的問題，我覺得在概率上也是有可能的。DNA複製所需要的酶的錯誤概率大概在十的七次方分之一這個水平。而人類基因組本身大小在30億。也就是說我們自身遺傳物質複製一次的過程都有可能出現不止一次錯誤。但是萬幸我們有修復和識別錯配的機制。但是在一些低等的生物比如細菌中，它的修復機制很不完善，甚至在極端條件下會採取極端措施，保留基因組完整但傾向錯誤配對，所謂的SOS 修復或者稱錯誤傾向修復。在生命發生的35億年里，不同的基因得到類似功能的可能性，應該是存在的，並且很可能不想我們想像的那麼低。

什麼什麼是完美的分子
但是那沒用眼的動物算什麼

肯定是不定向了只有這樣才能怎加物種的異質性，人類的MHC基因就是一例子

如果眼睛在突變中產生非「視紫紅質」的另外一種物質。比如「視青紅質」吧。
那麼在生存鬥爭中，「視青紅質」的效率是不如「視紫紅質」的。這就給攜帶「視青紅質」的生物帶來生存壓力。
死掉了，就沒法傳承了。。
幾十代下來，就只剩「視紫紅質」了

隨機和沒有規律是兩碼事，很多人一直也不懂~~~

基因變異是隨機的，而生物進化是有特定方向的。
就比如我們身邊的人就有很多因為基因突變而形成的各類癥狀，如侏儒症，巨人症。這些都是不好的突變，導致不能適應社會，就會被淘汰，而那些能適應自然環境的基因突變更容易保存下來，通過漫長時間的演變導致看起來基因突變是有方向的。

基因變異在外部大環境刺激的情況下，變異也就是突變是隨機的。到收到刺激基因就會突變或者變異，說明變異是有方向性的，變異的方向就是減低刺激或者更加適應刺激方向下的變異

沒有確定的方向，在植物方面是沒有確定的方向的，但是將轉基因作為一種變異手段的話，那麼變異方向就可控，很難說

同一個個體內，不同的視紫紅質單體的結構肯定也有差別。

結構相似就能達成功能，並不是在數軸上隨機出一個精確的點來，因此憑啥不能被進化出來？何況，選擇出這玩意兒的概率並不是均等的，基因確實可以突變出別的分子，但別的分子活下來的可能又有多少？

如果在不同的計算機內用窮舉法找出符合當前需求、性能最佳的結果，相信結果也是大體相同的，不論你在多少計算機上做實驗。

窮舉最可怕的地方就是大浪淘沙，絕不會錯過一個。

基因突變是隨機的，生物進化是突變「用進廢退」「適者生存」後的選擇結果。

【演化】是有方向的、具體受控於2個方面~~： 1是要和原先的基因結構相容、2是要能適應環境

【變異】也分2種：1是【隨機變異】、2是與環境和其他生物博弈的過程中生物自身【主動】產生/啟動/調整所產生的基因變異(詳見新拉馬克主義)、即【主動變異】(即長頸鹿的長脖子的原因不止1個其中確實可能包含長頸鹿自己使勁努力出來的因素的~~)

是實際演化過程中：絕大部分【隨機變異】和部分【主動變異】因為和原先的基因結構不相容因此都被生物自身淘汰掉啦(沒有表達出來)、剩下的部分被最終表達出來成為新的性狀、然後再進一步和環境進行博弈(或稱【被環境選擇】)

不得不說傳統認識不等於正確。自然在生物學界關於基因突變也存在兩個或者細分下更多的學術派別吧。帶著批判精神和質疑權威的勇氣才是科學得以取得突破性革命性進展的根本。科技發展的歷史已經屢次證明了這點。對於這個問題，我乍一看感覺這還用說么，高中生物就講了基因突變是隨機的，而基因突變的宏觀表現受到自然選擇的制約。可是看了題主對問題的解釋，我也覺得，這個問題也許沒有傳統認識那麼簡單。畢竟人類的認識在發展。

變異是隨機的，進化是特定的。
PS：不能適應環境的同性戀基因是怎麼存在幾千年的… 支持同性戀婚姻合法化！