在我上一篇博文中，我回顾了历史，从我们天生就拥有的适应良好的眼睛，到数十亿年前微生物使用的古老感光细胞。现在，我将反向行进，从拥有功能齐全的眼睛的动物，到它们今天什么也看不见的后代。这可能与我之前的博文似乎不匹配。我们从眼睛的出现开始，这是一个复杂的故事，充满了各种曲折，包括基因窃取、基因借用、基因复制；然后我们转向一个关于失去、退化、少数基因以错误方式突变的简单故事——砰！——数十亿年的进化就此 undone。事实上，失去从来不是一件简单的事。我可以举两个截然不同的例子来说明这一点：跳蚤和洞鱼。
达尔文熟悉洞鱼，也熟悉许多其他盲洞居动物，如蝾螈和昆虫。达尔文认为洞鱼是另一种携带其祖先遗迹的动物的例子，就像我们身上保留着尾巴的残余一样。至于洞鱼是如何失去眼睛的，他搁置了自然选择。达尔文无法想象洞里的鱼的眼睛比它们祖先的眼睛差，还能有什么好处。“我将它们的丧失完全归因于不使用，”他写道。达尔文所说的“不使用”可能是在沿着他前辈拉马克的思路。当鱼在黑暗中不再依赖它们的眼睛时，它们的眼睛就会退化，这种退化就会遗传给下一代鱼。一旦科学家们开始破译遗传的分子机制，这种解释就过时了。取而代之的是，一些科学家将“不使用”的概念翻译成了突变的语言。和任何动物一样，洞鱼的 DNA 发生突变的可能性都很小但真实存在。在某些情况下，这些突变会损害鱼的眼睛。在生活在地表鱼类种群中，这种突变可能会让鱼难以找到食物，甚至可能让它们成为捕食者的目标。鱼将这种突变基因传递给下一代的几率会很小。但在洞穴中，这种突变对鱼的繁殖命运不会有任何影响。随着时间的推移，洞鱼种群会积累大量的眼部突变，直到它们的眼睛变得无用。但这种“中性突变”假说并非唯一可能。科学家们还提出了“能量节约”假说。阻止洞鱼发育出眼睛的突变可以节省能量，从而提高它们的生存几率。近年来，科学家们通过研究鱼类墨西哥霓虹灯鱼来检验了这个假说。在美国的地面水域，你可以找到完全正常的这种鱼群，但在洞穴中，你也可以找到大约 30 个种群是失明的。从生物学角度来说，这种转变是瞬间发生的：科学家估计，墨西哥霓虹灯鱼种群进入洞穴才仅仅是 10,000 年前。一个生动的证据表明这种迁移有多么近期，那就是洞鱼和地表鱼可以交配并产下健康的杂交后代。对墨西哥霓虹灯鱼的大部分研究都是在马里兰大学William Jeffery的实验室进行的，他在《遗传学杂志》上发表的一篇论文中对此进行了很好的总结。Jeffery 的大部分工作都集中在跟踪鱼从卵子开始的发育过程。他发现最令人震惊的是，洞鱼的眼睛会发育很长时间。就像地表鱼一样，洞鱼胚胎的大脑会向两侧膨胀，拉长成杯状的柄。简单的视网膜和晶状体开始形成，生长的神经开始将视网膜连接到鱼大脑的视觉中枢。然而，大约一天后，洞鱼的眼睛和地表鱼的眼睛开始走向不同的道路。例如，洞鱼的眼睛未能发育出虹膜或角膜。尽管如此，洞鱼眼睛的许多部分仍在继续生长，细胞也在增殖。仅凭这些发现就足以质疑中性突变假说和能量节约假说。如果突变在洞鱼基因组中不断积累，你不会期望鱼能在眼球发育方面取得如此大的进展。如果能量节约是驱动失明进化的唯一优势，你也不会期望鱼在眼睛开始退化时仍然产生新的眼部细胞。即使是眼球的退化也挑战了这两种假说。眼球并没有混乱地崩溃；它以一种庄严的编舞被拆解。晶状体的细胞会释放某种信号，指示其他眼部细胞开始凋亡。在地表鱼中，晶状体会发出相反的信号，允许眼睛完全发育。Jeffery 和他的同事们发现，如果他们仅仅将地表鱼的晶状体移植到洞鱼的眼睛里，洞鱼就会长出一个完全正常的眼睛。更重要的是，移植触发了新的神经纤维从视网膜投射到大脑，洞鱼大脑中处理视觉的部分甚至有所生长。移植的晶状体有可能让洞鱼看到东西。尽管失明，洞鱼仍然保留了其眼球构建基因的原始回路。Jeffery 和他的同事们还跟踪了基因层面的眼球退化。中性突变假说会让你期望洞鱼在眼睛中表达的基因数量少于地表鱼，因为其中许多基因会被突变破坏。但 Jeffery 和他的同事们发现并非如此。相反，他们开始识别出一些基因，这些基因在洞鱼的眼睛中产生的蛋白质比地表鱼要多，甚至还有一些基因在地表鱼的眼睛中根本不活跃。在洞鱼眼睛发育过程中一个特别重要的蛋白质被称为 Hedgehog。在所有脊椎动物中，Hedgehog 在眼睛发育的最早阶段起着至关重要的作用。最初，将形成眼睛的细胞形成一个单一的簇。胚胎中线的细胞开始产生 Hedgehog，它会以某种方式发出信号，使这个眼簇中心的细胞停止发育。因此，只有最外侧的细胞继续发育，从而产生两个独立的眼睛。干扰 Hedgehog 产生的突变会导致人类出现一种可怕的出生缺陷，称为独眼畸形，即发育成一个单一的、像独眼巨人一样的眼睛。洞鱼的进化方向相反：它们产生的 Hedgehog 更多，而不是更少。额外的蛋白质阻止了原始眼细胞簇更大范围的发育，留下的细胞很少能继续发展。Jeffery 和他的同事们通过提高地表墨西哥霓虹灯鱼中 Hedgehog 的产生来证实了这一点。它们不仅发育出较小的眼睛，而且还遭受了与洞鱼相同的晶状体介导的退化。这意味着洞鱼眼睛的退化需要眼睛以外的细胞来协调这一过程。这种编舞最值得称道的是它一次又一次地进化。对墨西哥霓虹灯鱼 DNA 的研究表明，地表鱼种群一再入侵洞穴，每次都导致它们失明。Jeffery 和他的同事们开始比较不同种群胚胎的发育情况，他们发现洞鱼通过相同的基因活动模式进化出了失明。这种平行进化几乎不可能是由随机的中性突变爆发造成的。Jeffery 也不认为能量节约可以解释这一点。雄性和雌性在眼睛发育上没有差异，尽管雌性需要更多的能量来产生卵子。同样，一些洞鱼种群由于生活在蝙蝠群落下方，那里会掉落食物和粪便到水中，因此获得了大量的能量。尽管条件优越，这些鱼与它们更贫困的近亲没有区别。Jeffery 认为 Hedgehog 可能是理解洞鱼进化真正驱动因素的关键。与许多参与发育的基因一样，Hedgehog 也有许多不同的作用。例如，它已知对味蕾、牙齿以及构成头部的骨骼的发育至关重要。而在洞鱼中，所有这些特征都与地表鱼有显著不同。这些变化可能是帮助洞鱼更有效地进食的适应性。这些变化只有通过增加 Hedgehog 的产生才得以实现。这种增加的一个副作用是破坏了洞鱼的眼睛。但由于眼睛在黑暗中并非必不可少，所以付出的代价并不大。如果 Jeffery 是对的，达尔文在洞鱼身上的真正错误并非诉诸拉马克主义的解释。而是他没有认识到自然选择的强大力量。Jeffery 和他的同事们之所以能学到这么多关于洞鱼眼睛进化的知识，是因为他们学会了如何将墨西哥霓虹灯鱼变成一种实验室生物，可以像研究果蝇或实验室老鼠一样仔细地研究它。这种转变需要很多年，只有少数物种具备条件。许多其他动物也失去了它们的眼睛，但在大多数情况下，科学家们只能获得不太直接的线索。尽管如此，它们所能讲述的故事可能同样有趣。最有趣的是，似乎有不同的进化力量在起作用。
一个典型的例子：跳蚤。科学家们对跳蚤的视力了解甚少。作为昆虫，跳蚤继承了标准的昆虫眼，这种眼睛由紧密排列的细长柱组成。但这种标准的昆虫眼在跳蚤身上发生了剧烈的变化。一些跳蚤拥有类似简单的眼点。另一些似乎根本没有眼睛。为了了解这种转变，一组来自杨百翰大学的生物学家将跳蚤与其仍有眼睛的近亲进行了比较。即使在几年前，这也不可能做到，因为科学家们直到最近才弄清楚“跳蚤树”。跳蚤起源于一群视觉敏锐的昆虫。它们的近亲包括蝎蝇，它们依靠成像的眼睛来帮助它们搜寻死去的昆虫。它们最近的亲戚是“雪蚤”（Boreidae）。这些无翅昆虫生活在高山上，以苔藓为食。它们有小眼睛，但足以看清并跳开，如果你试图抓住它们。所以，跳蚤似乎是长期进化成更简单眼睛的产物。科学家们利用这张树来追踪对视力至关重要的某些分子的进化。这些分子被称为视蛋白，它们通过触发化学反应来响应光线，将信号从眼睛传递到大脑。视蛋白对不同颜色的敏感度不同，这取决于它们的形状，而形状又取决于其基因中的 DNA 序列。科学家们从 11 种蝎蝇、雪蚤和真跳蚤中分离出了绿色视蛋白的基因。然后，科学家们比较了 DNA 序列，寻找变化的迹象。视蛋白基因的突变可能对视蛋白分子本身没有影响，也可能极大地改变其结构。这种差异取决于突变在 DNA 序列中的位置。科学家们发现，在跳蚤进化过程中发生的大多数变化对实际的视蛋白没有影响。他们通过使用视蛋白基因的 DNA 序列创建视蛋白分子本身的计算机模型来证实这一点。即使在跳蚤身上，绿色视蛋白分子的结构也与蝎蝇的基本相同——尽管它们的眼睛截然不同。一个基因在数百万年里没有改变，并不意味着它没有经历自然选择。科学家们发现了证据，表明视蛋白基因在跳蚤及其近亲中经历了一种特殊的自然选择，称为净化选择。如果一个分子结构发生任何微小变化都会严重损害动物的繁殖成功，就会发生净化选择。跳蚤的视蛋白基因经历了净化选择，这意味着它对它们的生存仍然至关重要。（他们工作的详细信息发表在《分子生物学与进化》杂志的一篇论文中。）那么，跳蚤到底用它们的视蛋白做什么呢？科学家们怀疑跳蚤并不在眼睛中使用它们。他们指出，跳蚤的眼睛被一层坚韧的几丁质覆盖着，并且缺乏能让它们看见的晶状体和其他结构。但在许多动物中，从鸽子到鲑鱼再到蝴蝶，视蛋白也发现在眼睛外面。在一些动物体内，它们生长在大脑中，而在另一些动物体内，它们生长在腹部或其他身体部位。最近的研究表明，这些视蛋白通过感知昼夜的光线变化来设定生物钟的节奏。这让我们回到了我第一篇博文中描述的眼睛的起源。在完整的眼睛进化之前很久，微生物中可能就存在感光分子，使它们能够在白天和黑夜改变运动。这些分子可能被整合到早期的眼睛中，使动物能够看见。但这种转变并不意味着感光器就不能再服务于它们原来的功能了。早期昆虫可能在它们的眼睛内使用视蛋白来视物，并在眼睛外作为生物钟。后来，一些昆虫谱系失去了它们的眼睛。一些可能是在黑暗的洞穴中失去的。另一方面，跳蚤在成为寄生虫时失去了眼睛。它们不再需要在复杂的环境中寻找特定的猎物，而是从一个宿主跳到另一个宿主。但它们仍然依赖视蛋白来控制它们的生物钟。作者指出，科学家们还在其他失去眼睛的动物中发现了视蛋白。这些动物？正是墨西哥霓虹灯鱼。这项新的研究特别值得称道的是，跳蚤视蛋白在任何进化变化面前都表现出极强的抵抗力——即使在它不再被用于跳蚤的眼睛之后。这种分子需要相同的结构功能来完成这两项工作。正如我在上一篇博文开头提到的，查尔斯·达尔文认识到眼睛的复杂性可能对他的理论构成了重大挑战。对一些人来说，它仍然是；他们认为眼睛的组成部分无法独立运作，因此它们本身就不可能存在。按照这个逻辑，一个组成部分——例如一个视蛋白——如果不在眼睛里，就无法做任何有用的事情。跳蚤显然有不同的看法。
