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DNA修复机制的复杂性表明,生物进化确实在很大程度上都遵循这一原理,否则修复机制就会停下来消除错误。人类的细胞就像是一扇轻微开启的大门,只允许出现少量的变化,以免对整个种群造成灾难性的影响。最近的研究表明,人类生殖细胞中的碱基对(base pair)的突变率大约为1/30 000 000,也就是说,每当父母把他们的DNA遗传给孩子时,基因遗传就会带来大约150次突变。人类细胞中的大多数组织都是用来保存和复制遗传信号的。然而,进化还是为我们带来了噪声。
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误差率是选择压力造成的,还是进化不完善的表现呢?人类和其他哺乳动物一样都拥有良好的视觉,但人类不能看到150米以外的文字。这并不能表明这种限制与适应性有关,很可能是因为这种视力很难通过进化实现,虽然进化的能力很强大,但它并不是无所不能的。如果我们每小时能跑160公里,想必我们能更加“适应”我们生活的环境。但是,受骨骼和肌肉组织的限制,我们很难追得上猎豹。为什么这一原理不能适用于不完善的DNA修复系统呢?
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完美的复制很可能只是一种理想的假设极限,自然选择只能以渐进式的方式接近这一极限。对我们而言,自然选择是否能主动作出调整,为我们的DNA修复系统设置一定的噪声,或者是否根本达不到“完美复制”这个目标,这些问题并不重要。从某种意义上来说,我们必须保留这种噪声,因为没有它,进化的脚步将会停滞不前。然而,近来人们迫不及待地想要对这种主动调整假设进行研究。细菌的突变率要比多细胞生物体的突变率高得多,这表明不同生物体对误差的容忍度不同。
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贝勒医学院(Baylor College)的苏珊·罗森伯格(Susan Rosenberg)通过研究发现,当面对资源贫乏“压力”时,细菌的突变率会显著增加。罗森伯格的研究表明,在良好的环境中,细菌对突变率的要求较低,因为它们能很好地适应现有环境。但是,当环境变得恶劣时,为了在资源贫乏的环境中艰难存活,它们就要面对革新的压力,自然就会为维持风险与报酬的平衡而引入突变。与其活活饿死,还不如向致命的突变发出挑战。如果基因突变有助于细菌更有效地使用有限的资源,新基因很快就会在这一群落中传播开来,而未突变的细菌就会相继死亡。
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从某种意义上说,罗森伯格的变异细菌采取的策略与水蚤在选择有性生殖或无性生殖时采取的策略类似。当环境变得恶劣时,生物体自然会选择一些创新的生殖策略,它们有时会把更多的噪声引入到遗传信号中,有时则会让基因在群落中更快地流通。
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性和错误之间一直有着十分密切的联系。有性生殖的一个重要优势在于,它能断绝突变基因与突变率较高的基因之间的联系。想象一种细菌具备一种抑制DNA修复的基因,这就会提高整体的突变率。大多数突变要么是无关紧要的,要么就具备很强的杀伤力。但是想象一下,假如有一天运气好,发现了一种能提高生殖适应性的突变基因——比如说,它能使有机体更有效地检测到食物来源。这种细菌会一分为二,并将这种突变基因传递给下一代。麻烦的是,下一代继承的是一种混合基因:它继承了新的觅食基因,但同时也继承了能产生较高突变率的基因。因为负突变(negative mutation)要比正突变更容易发生,经过几代的遗传后,觅食基因的优势会逐渐被高突变率基因引入的噪声所掩盖。但是,如果这种细菌像水蚤一样转而采取有性生殖策略,就可能会出现不同的结果,因为在有性生殖过程中,只有一半的基因会遗传给后代。下一代可能会从父辈那里继承觅食基因,从母辈那里继承DNA修复基因。
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为什么进化会倾向于更为复杂的有性生殖呢?我们已经对其中的一些原因进行了探讨:有性生殖可以使潜在的有益创新在种群中传播,并与其他创新发生碰撞和结合。但是,当考虑到突变和觅食基因时,你就会明白地球上的大多数生命都是因为这样一个原因而选择有性生殖的:因为性在降低风险的同时还有助于控制错误的生成能力。性只是将临近的大门开启了一条缝,这样我们就可以适应环境中不断变化的压力和机会,同时还能控制突变率,这就是为什么无性细菌的错误率要比多细胞生物体更高。性让我们从基因的错误中吸取教训。
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了解了信号与噪声的精度和误差之间的这种复杂关系,我们也就能明白查兰·内梅特对自由联想和陪审团审议进行的研究。当一个人把蓝色的画说成是绿色时,或为一个有罪的犯罪嫌疑人进行辩护时,从技术上来讲,他为这个环境引入了更多不准确的信息。但是,这种噪声会使我们变得更聪明,更具创新性,因为我们被迫重新思考我们的偏见,被迫去考虑蓝色的画实际上是绿色的可能性。正确就好比人脑处于阶段封锁状态,所有神经元都保持同步。正如我们对真理的需求一样,我们需要这种阶段封锁状态;而就社会和神经化学角度来讲,充满错误和混乱的世界将会失去控制(更不用说遗传了)。
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然而,我们还是要留下一些出错的余地。有益的错误有助于创新环境的发展,但当质量控制要求过高时,这种环境就会受到影响。大型组织往往会推崇完美主义体制,如六西格玛(Six Sigma)和全面质量管理(Total Quality Management),以消除会议室或流水线出现的错误。然而,这种网络启动的世界会失败得更快。并不是说我们要把目标放在错误上——毕竟,它们是错的,这就是为什么你会想要尽快克服它们。但是,这些错误是你走向真正的创新之旅中不可避免。本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)对创新知之甚少,却说出了这样一段绝佳的话:
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“在综合考虑所有因素的情况下,人类的错误史也许要比那些发明更有价值、更有趣。真理是千篇一律的,它一直存在,似乎并不需要那么多积极的能量,即使这么被动也能遇见。然而,错误却是变幻莫测的。”
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伟大创意的诞生:创新自然史
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伟大创意的诞生:创新自然史 从葡萄酒榨汁机到古腾堡印刷机
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古罗马传奇性的历史学家和学者老普林尼(Pliny the Elder),在维苏威火山爆发后,因为勇敢抢救一位朋友而死;在他去世前两年,完成了《博物志》(Naturalis Historiae)的创作,堪称古代最流行的百科全书。在那本书中,他谈到了一种由本国酿酒师新发明的设备,类似于榨汁机,靠螺旋状杆来“对放在葡萄上方的木板施加压力,木板上方也有重物覆盖”。学者们争论,老普林尼认为这个设备是同胞发明的是否出于爱国心态,因为用螺旋榨汁机生产葡萄酒和橄榄油的历史可以追溯到几个世纪前的希腊。然而,无论螺旋榨汁机究竟何时问世,它的实用性使自己熬过了黑暗时代(Dark Ages)完好地存活了下来。希腊—罗马时期的其他伟大想法就没有那么幸运了。
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当文艺复兴时代到来时,老普林尼已经过世1 000多年了,欧洲人不得不重新发现托勒密(Ptolemy)的天文学和修建沟渠的秘密。但是,他们不用重新学习如何压榨葡萄。事实上,一直以来,他们都在不断地对螺旋榨汁机进行改良,以实现大规模的生产。15世纪中叶,气候恶劣的德国莱茵河左岸地带也搭起了葡萄架。在高效螺旋榨汁机的推动下,德国葡萄园于1 500年达到颠峰,占地面积大约是现在的4倍。那时,在遥远的北方生产葡萄酒是一项艰苦的工作,但人们还是无法抗拒螺旋榨汁机带来的经济效益。
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1440年左右,一位年轻的莱茵兰企业家开始改良葡萄酒榨汁机的设计。他以前是经营镜子制造生意的,他打算把镜子卖给宗教朝圣者,结果经历了一场灾难性的失败(受鼠疫的影响,朝圣者的人数大大减少了)。然而,饰品生意的失败只是偶然,因为这位企业家又有了一个更加远大的目标,他开始潜心研究莱茵兰葡萄酒技术。但约翰内斯·古腾堡(Johannes Gutenberg)对葡萄酒并不感兴趣,他的兴趣在于印字。
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正如许多学者曾指出的,古腾堡的印刷机是一个经典的组合式创新,更像是一种拼装而不是突破。早在古腾堡印制第一本《圣经》前,印刷机这项独立发明所需要的关键元素——活字印刷术、油墨、纸张和印刷机本身,就已经被发明出来了。例如,活字印刷术是在公元前4世纪,由中国北宋发明家毕昇发明的。但是,中国没能利用这一技术实现大规模的文字印刷,很大程度上是因为他们是用手来刻字的,这种方法只是比中世纪的抄写员更高明一些。古腾堡曾当过金匠,凭借这一经历他又对活字印刷系统进行了一些更新,但如果没有螺旋压榨技术,他那一丝不苟的铅字刻板还是无法大规模印制《圣经》。
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古腾堡并不是从无到有地发明了一种全新的技术,而是从一个不同的新领域借用了一种成熟的技术,并用它来解决一个完全不相干的问题。我们并不知道到底是什么事件使他联想到了这种技术。古腾堡在1440—1448年间完成了这一重要发明的组合,但现有资料很少有关于这一发明的记录。不过可以肯定,古腾堡没有榨葡萄汁的经历。是莱茵河左岸地带螺旋榨汁机的普及和他跨越自己专业领域为旧技术开发出新用途的能力,造就了这一颠覆式的突破。他把一台会让人喝得醉醺醺的机器,变成了一个大规模传播的引擎。
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功能变异与进化创新
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进化生物学家用这样一个词语来形容这种借用:功能变异(exaptation)。这一词语最初见于斯蒂芬·杰伊·古尔德和伊丽莎白·弗尔巴(Elisabeth Vrba)在1971年发表的一篇论文中。生物会针对特定的用途开发一种特性,但随后这种特性就会变成一种完全不同的功能。在古尔德和弗尔巴的论文中,鸟的羽毛就是这样一个典型的例子,最初我们认为鸟的羽毛是为了适应气温的变化而进化出来的。这样一来,白垩纪时期的那些不会飞的恐龙就能抵御寒冬。然而,当它们的后代开始尝试飞行时,包括我们现在称之为始祖鸟(Archaeopteryx)的一种生物,羽毛会帮助它们控制气流,它们就能自由滑行。
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最初的变异几乎都是偶然发生的:因为进化压力而开发的工具最终会具备令人意想不到的功能,生物体就能以一种全新的方式生存。然而,一旦这种新功能被投入使用,即始祖鸟开始用它的羽毛控制下滑速度时,这种特性就会按照一套完全不同的标准发生演变。举例来说,所有用于飞行的羽毛都具有显著的不对称性:中心轴一侧的羽片要比另一侧的羽片大。这样,羽毛就会像机翼一样,在飞行期间提供升力。像老鹰这种飞行速度快的鸟类,它们的翅膀的不对称性要比飞行速度慢的鸟类高。但是,仅仅用于御寒的羽毛却是完全对称的。当羽毛仅仅作为一种御寒工具时,平衡性欠佳的羽毛并没有优势。基因库中的突变或其他一般变异不可避免地会产生一些不太对称的羽毛,但这些性状不会加剧,也不会蔓延至后代,因为与正常的羽毛相比,它们并不具备任何繁殖优势。但是,飞行速度一旦成为鸟类攸关生死的特性时,这种特征的巨大优势就会凸显出来。当不对称性在基因库来回进出时,自然选择就会开始塑造一些更符合空气动力学常识的羽毛。那些用于御寒的羽毛现在也开始具备一些支配平衡的特性。
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