“我对生活着迷，这就是我想打破它的原因。”
这是亚利桑那大学分子和细胞生物系、天文系和月球与行星实验室的助理教授bet
l卡帕拉尔对她的研究的描述。听起来冷酷无情的是天体生物学中合理的科学方法。被称为祖先测序的想法是“复活”生命之初的基因序列，让它们在现代微生物的细胞途径中发挥作用——想想侏罗纪公园，但用灭绝的基因代替恐龙，研究有机体是如何应对的。
在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，kaparar的研究小组报告了一个意想不到的发现:进化似乎不太擅长多任务处理。
卡帕拉利用祖先测序来发现生命的起源，以及生物是如何在进化选择压力下形成的。由此获得的洞见可能反过来提供线索，说明有机前体分子是如何产生生命的——无论是在地球上还是在遥远的世界。在她的实验室里，卡帕拉专门设计分子，这些分子就像微小的看不见的扳手，对生物体赖以生存、活动和繁殖的细胞机制造成严重破坏。
卡帕拉尔把她的注意力集中在翻译机制上，这是一个迷宫般的分子时钟装置，可以将细菌DNA中的编码信息翻译成蛋白质。所有生物——从微生物到藻类到树木再到人类——在细胞中都拥有这种机制。
地球上生命的转译机制是如此重要，以至于即使在超过35亿年的进化过程中，它的各个部分也几乎没有发生实质性的变化。科学家称其为“一次冻结在时间里的进化事故”。
“我想我倾向于把我不应该做的事情搞砸，”kaparar说。“锁在时间里?”让我们打开它。破坏它会导致细胞毁灭吗?让我们打破它。”
研究人员提取了六种不同的大肠杆菌菌株，并对这些细胞进行了基因工程改造，使其翻译机制的成分发生了突变。他们的目标是通过将穿梭蛋白与从其他微生物中提取的进化表亲交换，包括从大约7亿年前重建的祖先，从而为该单元提供遗传信息。
“我们进入了我们认为是最早的生命机器之一的核心，”卡帕拉尔说。“我们故意把它打碎一点，然后打碎很多，看看细胞是如何处理这个问题的。在这样做的过程中，我们认为我们给细胞制造了一个紧迫的问题，而它将解决这个问题。”
接下来，研究小组通过让被操纵的细菌菌株相互竞争来模拟进化——就像微生物版的“饥饿游戏”。1000代之后，正如预期的那样，一些菌株比其他菌株表现得更好。但是，当卡帕拉尔的团队准确地分析了细菌对其翻译成分的扰动的反应时，他们发现了一些意想不到的事情:最初，自然选择改善了受损的翻译机制，但在机器的性能完全恢复之前，它的焦点转移到了其他细胞模块上。
为了找出原因，卡帕拉尔找来了加州大学圣地亚哥分校的人口遗传学专家桑迪普·文卡塔拉姆。
Venkataram将这一过程比作打地鼠游戏，每个鼹鼠代表一个细胞模块。每当一个模块发生突变时，它就会弹出。锤子把它砸回去是自然选择的结果。突变随机分布在所有模块中，所以所有的痣都是随机出现的。
他说:“我们预计自然选择的锤子也会随机落下，但我们发现并非如此。”“相反，它不是随机的，而是有强烈的偏见，有利于那些提供最大适应性优势的突变，同时它会摧毁其他不太有益的突变，即使它们也对生物体有益。”
换句话说，当涉及到解决问题时，进化并不是一个多任务处理者。
“进化似乎是短视的，”文卡塔拉姆说。“它专注于最紧迫的问题，贴个创可贴，然后就转向下一个问题，没有彻底解决之前正在解决的问题。”
“事实证明，细胞确实可以解决它们的问题，但不是以我们可能解决它们的方式，”卡帕拉尔补充说。“在某种程度上，这有点像组织一辆在颠簸的道路上行驶的送货卡车。在不可避免地弄乱之前，你一次只能堆叠和整理这么多盒子。你从来没有真正有机会做出任何大而有序的安排。”
为什么自然选择以这种方式运作还有待研究，但研究表明，总的来说，这一过程导致了作者所说的“进化停滞”——当进化忙于解决一个问题时，它是以牺牲所有其他需要解决的问题为代价的。他们得出的结论是，至少在快速进化的种群中，比如细菌，尽管存在有益的突变，但某些模块的适应将会停滞。这导致了生物体永远无法达到完全优化状态的情况。
卡帕拉尔说:“这个系统必须能够不是最优的，这样进化才能在面对干扰时有所作为——换句话说，需要有改进的空间。”
卡帕拉尔认为，进化的这一特征可能是任何自组织系统的标志，她怀疑这一原则在生物等级的各个层面上都有对应，可以追溯到生命的起源，甚至可能追溯到生命尚未出现的生命起源前的时代。
在约翰邓普顿基金会和美国国家航空航天局的持续资助下，研究小组现在正致力于利用祖先测序来追溯更早的时间，卡帕拉尔说。
“我们想把东西进一步分解，创造出一种系统，从我们认为的前生命开始，然后过渡到我们认为的生命。”
