1700255770
科学和技术的发展史为中性突变提供了一个不甚恰当的类比对象，即新理论和技术发明之初往往找不到自己的定位，但是它们的价值有可能在未来某个时刻变得不可估量。数论就是一个很好的例子。数论是数学的一个分支，美国数学家伦纳德·迪克森（Leonard Dickson）曾经不止一次说过：“感谢上苍，数论没有被任何应用技术所玷污。”从欧几里得开始直到1919年，这句话都没有什么问题。但是在仅仅几十年之后，数论就因为一个完全不相干的领域而被放在了互联网经济的中心位置。
1700255771
1700255772
随着数字计算机和互联网技术的发展，数论被用于网络信息的加密，为电子金融和网上银行业务保驾护航。类似的例子还有很多，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）通过实验验证了由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的电磁理论，但是赫兹本人也说不出这个理论到底有什么应用价值。赫兹曾经不停地跟别人说他的实验“一点儿用都没有”，“只不过证明了大师麦克斯韦的理论是正确的而已”。而在短短40年之后，赫兹的实验促成了世界上第一座获得商业许可的广播站建立，即位于匹兹堡的KDKA，这个无线电台至今仍在1 020千赫的频段上播送节目。
1700255773
1700255774
中性学说最著名的支持者莫过于日本科学家木村资生（Motoo Kimura），木村资生建立了一套复杂而成功的数学理论，以评估中性突变在进化上的命运。木村资生主张自然界大部分的遗传突变都是中性的。不过在基因组学时代到来的今天，我们已经知道，木村在这一点上的认识是错误的，中性突变并没有比那些带来优势的突变更多。撇开这点不谈，木村认为中性突变十分重要的观点则是完全正确的，尽管我们又花了数十年时间才理解中性突变之所以重要的原因。
1700255775
1700255776
第一个原因是，中性突变在探索基因型网络时非常重要。中性突变为读者在自然图书馆中寻找新性状时铺就了一条安全的道路，避开了一路上诸多无意义的伪作。如果没有基因型网络和中性突变，安全探索自然图书馆几乎是不可能的。
1700255777
1700255778
第二个原因是，以中性突变出现的变异不一定永远是中性的。中性突变同样可以在某一天成为有意义的突变，就像曾经毫无应用的数论那样。一旦中性突变表现出有利于生物生存的性状，它们就会被自然选择保留下来。换句话说，自然选择学说和中性学说都没有错，自然选择和中性突变都是生物进化中的必要组成部分。中性突变先为新性状的出现铺路，而自然选择从众多的中性突变里选出具有进化潜力的那些突变。
1700255779
1700255780
一个很好的例子是受到广泛研究的RNA酶，它很好地展示了中性突变和基因型网络能够在多大程度上加快新性状进化的速度。这种特殊的RNA酶作用于RNA链上的特定位置，在所识别的位点上对RNA进行切割。这种核酶的形状犹如它的名字，就像一条双鳍鲨，独特的锤头状是它执行功能的关键——这是一个充分不必要条件。在广阔无边的自然图书馆里，同样催化活性的其他RNA分子很可能有着不同的形状、不同的表现型，从而使得核酶剪切RNA的刀刃更加锋利。
1700255781
1700255782
如果没有基因型网络的存在，那么RNA图书馆里的一小簇读者，也就是某一簇进化的RNA分子，必须聚集在“43核苷酸区”里，它的脚步只能延伸到相差一个核苷酸的馆藏里。按照这个范围，某种特定的RNA酶只有129个不同的相邻RNA。由于我们能够计算每一种RNA的形状，所以我们知道这129个RNA一共有46种不同的形状，这也是进化在不借助基因型网络的前提下能够触及的分子形状数目。
1700255783
1700255784
如果我们继续下去呢？如果只选择那些突变是中性的相邻RNA，也就是同样是锤头形状的邻居分子，并检验它们的相邻RNA，这样我们就能得到962种新形状。而后我们再深入一步，检查那些相邻RNA里中性突变的相邻RNA，这次我们将得到1 752种新形状。仅仅在基因型网络中深入两步，新的分子形状数量就比核酶直接相邻的RNA多出了将近40倍。而沿着锤头状这个分子特征前进的基因型网络支路远远不止这两步，这张网络中有超过1019种RNA，现有的计算机还没有能力对所有相邻RNA的分子形状进行推演。不过我们几乎可以肯定，在这些RNA中有数十亿种新的分子形状，而且这些形状不同的分子都具有相同的功能，因为在进化过程中，保证生物的生存本身就是基因型网络存在的意义。
1700255785
1700255786
这就是基因型网络加速进化的方式。基因型网络就像科幻小说《星际迷航》中用来进行超光速星际旅行的曲速引擎。如果没有基因型网络的存在，那么锤头状核酶的进化速度将放缓至现有速度的1/40。与已经进化了将近40亿年的现代生命相比，如果没有基因型网络的帮助，地球生命相当于才刚刚走完第一个一亿年的路。在生命出现最初的一亿年里，地球上可能已经有了为数不多的几种细菌，但是多细胞生物肯定还没有登上历史的舞台，更不用说鱼类、陆生植物、恐龙或者人类了。基因型网络对生物进化的加速远远超过40倍，确切的数字我们甚至都无从计算。如果没有这张基因型网络，地球上的生物可能到今天都还没有爬出那盆原始浓汤。
1700255787
1700255788
在《星际迷航》中除了曲速引擎，还有一种实现超光速飞行的方式：直接改变宇宙空间。创意无限的科幻作家们创造了许多新奇的技术，比如虫洞（wormhole）。虫洞让数千光年的旅程在一瞬间就能完成，而我们发现基因型网络的作用也与之相似。基因型网络缩短了图书馆内两部馆藏之间的距离，无论这座图书馆是代谢、蛋白质还是调控环路图书馆，基因型网络都发挥了这个作用。
1700255789
1700255790
我们来想象有一群参观图书馆的读者，它们是某个物种的一个种群，它们聚集在某个文本周围。这个文本叙述了一个特定的调控环路，而该环路控制的基因表达谱会参与身体某些部位的发育，比如鸟类的翅膀。我们再假设在这座图书馆的某个角落里另有一本书，它叙述的调控环路和基因表达谱，能够让翅膀的空气动力学和重量都得到些微优化。这本书藏得越深，读者想要找到它所花的时间就会越多。
1700255791
1700255792
在规模如此惊人的图书馆里寻找某本特定的书犹如大海捞针。你当然可以找到那本书，不过前提可能是你要走遍海里的大部分地方，可能你要走遍每一个角落才能成功。只不过相比某个特定的表达谱而言，图书馆的规模更像是宇宙而不是大海。常识告诉我们，要捞起这根针，我们将不得不走遍宇宙的每个角落。
1700255793
1700255794
但是自然图书馆从来不落俗套。这一点在我们发现不同的调控环路能够控制相同的基因表达谱时就已经略有涉及了。我们知道，大海里的针往往不止一根。而当我们在图书馆里寻找特定表达谱的调控环路时，却发现自然图书馆比我们原先认为的更加怪异。在这项研究中，我们首先以随机的方式设计出数千种基因表达谱，而后用计算机针对每一个表达谱生成一对调控环路。两个环路中的其中一个与目标表达谱对应，而另一个则不然。除了所控制的表达谱，每对环路内基因之间的作用关系也不尽相同。接下来，我们逐渐改变第一个调控环路里的基因的作用关系，一次改变一个并保证环路所控制的基因表达谱不变。
1700255795
1700255796
经过足够多次的操作，第一个环路能够与配对的环路变得类似吗？答案是，可以。我们的研究发现，对于含有20个基因的调控环路来说，配对环路中基因相互作用形式的相似性能够达到85%。换句话说，以图书馆内任何位置作为起点，你不需要长途跋涉，只要脱离基因型网络走出去15步就能到达另一个基因型网络。也就是说，无论你从大海里的哪个位置开始寻找，你要找的针总是在你周围。
1700255797
1700255798
如果这还不够让你觉得新奇，那么我们来看看更诡异的东西。
1700255799
1700255800
我们假设自然图书馆就是图6-1中的正方形，正方形中的黑点是某个文本。围绕黑点的圆圈，它的半径相当于正方形边长的15%。这是读者要从一种表达谱到达某个新基因型网络的平均距离，15%这个数值来源于我们上述所做的研究。我们来做一个简单的算数，如果圆的半径是15厘米，那么正方形的边长就是100厘米，圆的面积约为707平方厘米，差不多相当于正方形总面积的7%。
1700255801
1700255802
1700255803
1700255804
1700255805
图6-1 自然图书馆与基因文本关系示意图
1700255806
1700255807
当然，现实生活中的图书馆不是二维的，它们都存在于三维空间。出于简化考虑，我们把图书馆抽象为一个立方体，那么在这种情况下，一个表达谱所在的社区就相当于一个球。球的半径依旧根据立方体边长的15%设定，但是两者的体积之比却发生了变化。球的体积不再是立方体体积的7%了，而是1.4%。
1700255808
1700255809
而调控环路图书馆甚至连三维、四维图书馆都不是。它们位于更高维度的空间，在那里，图书馆是超立方体，社区则是超球体。在四维空间中，超球体是超立方体体积的0.2%。而五维空间中，超球体是超立方体体积的0.04%。
1700255810
1700255811
在调控环路所处的高维空间中，这个比例超出你的心理预期。超球体与超立方体的体积比不是0.1%，也不是0.01%。而是仅有10-100%。对于图书馆里的读者而言，要从一个文本出发寻找新的基因型网络，只需要探索一块微不足道的区域。高维空间体积比例不断缩小源于一个简单的几何规律：越高维的空间内，半径为边长恒定比例的超球体在超立方体中所占的比例总是越小。体积比例的下降不是因为我们所举的例子中的半径边长比为15%，不管这个比例为多少，哪怕是高达75%，三维空间中球体与立方体的比例也会降为49%，在四维空间中降为28%，在五维空间中进一步降为14.7%。随着维度升高，比例越来越小。
1700255812
1700255813
其他图书馆里同样存在这种反直觉的现象：图书馆所处的维度越高，也就是说，馆内的代谢和分子种类越多，找到新性状的难度也就越小。生物一旦在自然界站稳脚跟，想要再寻找新的性状并不需要花费太多力气，它们只要改变少数几个生化反应，探索代谢图书馆的一小块区域，就可以撞见它们所期盼的新性状。对于RNA而言也是同样的道理。以一个已有的RNA作为起点，你只要稍稍改变它的核苷酸就能够获得形状不同的新分子。在图书馆里寻找新性状的代价不过是回身走两步而已。
1700255814
1700255815
适者降临的代价仅仅是探索自然图书馆的10-100%，如此看来，自然界依靠略显盲目的探索方式却依然能够造就生物丰富的多样性也就不奇怪了。进化不用遍寻海底的每个角落，因为遗落在海底的针远远不止一根。事实上，海底散落的针都在一张紧密编织的网里，而这一切都要归功于发育稳态和它对基因变异的耐受性。
1700255816
1700255817
不知道你是不是已经有了这样的印象：图书馆中每个文本所在的社区规模都极其庞大。那么你大概也很容易理解，图书馆在构建组织上的另一个特征：每个基因型网络不但分布广泛，而且不同的基因型网络之间还有频繁的交织互动。它们紧密交联，互相围绕，繁复多变。整个网络由数百万乃至数十亿根丝线织成，每根都对应一种特定的表现型。如果给每根丝线涂上一种独特的颜色，那么这张复杂无比的网络中的每一条丝线上都有数十亿根其他颜色的丝线交织而过。如此精致的绸缎只可能存在于高维空间中，它的华美与我们生活中的任何织物都不同，完全超出我们的想象。这张网隐藏在我们生活中的每个生命体背后，生命由它而生。
1700255818
1700255819
