2018年1月25日

解構自然,論證選擇——演化是否隨機發生?

許家偉/畢業於輔大生物系(學碩士)、陽明微免所(博士),曾任職UCLA 微免分子遺傳所和 USC分子藥理所,現任職於生技公司。


自然選擇(natural selection)這個演化的機制可拆成3 個步驟來進行——複製(replication)、變異(variation)與選擇(selection),想知道演化是否隨機的話,就等於要問 3 個問題:「複製是否隨機?」、「變異是隨機的嗎?」和「選擇是不是隨機的?」如果這三步曲當中有一個不是隨機的,演化就不是隨機的了。

拆解三步曲的隨機性
首先,來看複製是否隨機的。事實上複製只不過是一個SOP(standard operating procedure, 標準作業程序),倘若物種要演化,就一定要有一個能夠將逐步累積下來的改變傳承給下一代的作業程序,因此,複製這個程序談不上是否隨機。所以,複製是否隨機的答案是:「說不上來,因為這一步跟隨不隨機並無關連。」

那變異是否為隨機的呢?雖然變異的確有非隨機的一面,如突變的機率可以因外力(紫外線、宇宙射線、游離幅射、X 光、化學物質、放射性物質等)而增加,且染色體上的基因會因為位置不同而出現不一樣的突變率,但對於演化來說,提供給自然選擇揀選的變異並非有系統地出現,也沒有具體方向性,更不會主動地傾向適應改良的效果,反而像擲骰子或轉輪盤般無法預料。那麼,變異是否隨機的答案,基本上可以說:「是的,變異是隨機地出現。」

最後,我們來檢視一下選擇是否為隨機。自然選擇的意義在於:個體憑藉某些變異,使自己比其他個體更能生存與繁殖,因此這些帶著變異的個體在族群中的數量就可以一代又一代地增加。換句話說,自然選擇會依據變異對環境的適應度,透過存活率(survival rate)及生殖成就( reproductive success )來改變牠們在群體中的數量。顯然,選擇是否隨機的答案肯定是:「不!」。

現在我們得到答案了, 在達爾文(Charles R. Darwin)所主張的演化機制裡,變異這種「演化上的『材料』」是隨機產生的,但「演化上的『改變』」則是由自然選擇來判定,一點都不隨意(圖一),所以演化不是隨機的。

圖一: 個體(土黃色)按自然選擇三步曲——(A)複製、(B)變異、(C)選擇——繁衍。在繁衍的過程中所產生的變異個體(卡其色或深棕色)並無適應性,因滅絕而消失,族群的面貌維持白圈為多數。一旦選擇壓力改變(虛線),黑圈變異成為適應性品種,在同樣的自然選擇三步曲下,族群面貌就會發生改變,黑圈變成族群中的多數。(作者繪製)


偶然 vs. 必然
有鑑於演化的機制——自然選擇,包含隨機變異和非隨機篩選,動物行為學家道金斯(Richard Dawkins)將自然選擇形容成「隨機差異性的非隨機存活」。而生物學家高登諾(Ursula Goodenough)也說得妙:「突變當然是完全隨機的,選擇卻非常挑剔。」自然選擇正是由偶然的機運(變異)與必然的力量(篩選)相互作用而成,這恰好應驗了古希臘哲人德謨克里特(Democritus)說過的:「宇宙萬物皆是偶然與必然的結果。」

在認識自然選擇的同時,我們也要認清兩件事:第一,達爾文的自然選擇雖然帶上了擬人化的「選擇」字樣,一如物理學的萬有引力或化學的分子親和力一樣用上了日常生活所能感受的「力」字那樣,......【更多內容請閱讀科學月刊第578期】

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