在此，那个经常被抨击的祖先让-巴蒂斯特·拉马克（Jean-Baptiste Lamarck）的鬼魂回归，打扰了新达尔文进化论者的睡眠。
对大多数进化生物学家来说，定向突变是一个矛盾的说法。根据进化论，突变是随机事件——对生物体基因构成没有特定方向的改变，可能是有害的或有益的。进化中出现的任何方向都是由自然选择决定的。如果一个突变恰好是有益的——当它提高了生物体产生后代的几率时——它就会存活下来，而有害的突变则会消失。这就是新达尔文主义的本质，一种不存在定向突变的空间的理论。
然而，历史上存在一种替代理论：拉马克主义，以让-巴蒂斯特·拉马克（Jean-Baptiste Lamarck）的名字命名。这位 19 世纪的法国人是第一个阐述生物体进化思想的人。拉马克对基因或突变一无所知，但他确实相信生物体能够引导自己的进化——它们能够主动获得有助于生存的特征，然后将这些特征遗传给后代。他最著名的例子是长颈鹿。他认为，经过几代伸长脖子去够树叶的努力，长颈鹿的脖子变长了。
如今，没有生物学家相信这一点，因此当六年前，著名的英国生物学家约翰·凯恩斯（John Cairns）提出了一个类似的说法时，许多人都感到非常惊讶：细菌在面临饥饿时，有时会以一种定向的、非随机的方式产生它们生存所需的突变。凯恩斯的说法非常激进，以至于许多同事质疑他的数据。但在随后的几年里，一些坚韧的研究人员追随了凯恩斯的结果，并设法重现了它们。最近，阿尔伯塔大学分子遗传学家苏珊·罗森堡（Susan Rosenberg）领导的一个团队为整个研究领域大大增加了可信度。罗森堡和她的同事们发现了证据，表明存在一种机制——一组负责重组细菌 DNA 的酶——可以以新达尔文的方式产生凯恩斯的拉马克主义结果。
凯恩斯最初的实验很简单。他用一种无法消化乳糖的大肠杆菌品系——这是由于一个关键酶的基因发生了突变——并将它们放在一个只有乳糖作为唯一营养物的培养皿中。然后他等待着，看看有多少细菌会发生纠正性突变，从而使它们能够生长而不是缓慢地饿死。
标准的进化论预测，随着细胞分裂和复制，突变会悄悄地出现在它们的基因中，少数情况下，这些错误碰巧赋予了消化乳糖的能力。然而，凯恩斯看到的情况截然不同。首先，他的细胞无法自我复制，因为它们在挨饿。尽管如此，大肠杆菌群落产生的消化乳糖的突变体比进化论预测的要多得多——比细胞分裂 100 次预期的突变体数量还要多。此外，细胞似乎只在需要时产生突变——也就是说，只有在凯恩斯将乳糖引入培养基后（他让细菌在没有任何食物的情况下挨饿几天）。这表明细胞并不是随机突变，而是以一种定向的方式响应乳糖的存在，就像长颈鹿伸长脖子去够叶子一样。
当然，凯恩斯的大肠杆菌并不完全像拉马克的长颈鹿。拉马克的长颈鹿通过大量使用它们的脖子来获得长脖子，而凯恩斯的大肠杆菌通过基因突变获得了消化乳糖的能力。突变甚至不必纠正乳糖酶基因中最初的缺陷；有时，凯恩斯和波士顿大学的帕特·福斯特（Pat Foster）发现，它只是影响了细胞蛋白质合成机制读取基因的方式，从而使得基因能够恰好被正确读取，尽管存在缺陷。尽管如此，凯恩斯的大肠杆菌似乎表现出了拉马克主义的行为，因为它们获得了某种特征并将其遗传给了后代。通过这样做，它们获得了比纯粹的新达尔文世界中可能实现的结果更好的结果。
罗切斯特大学分子进化学家巴里·霍尔（Barry Hall）证实了凯恩斯的令人费解的结果，他提出了一种解释。人们对挨饿的细胞内部发生的事情知之甚少，霍尔推测，也许群体中的一小部分细胞会变得超突变。它们会继续以新达尔文主义要求的无定向、随机的方式发生突变——但速度要快得多。这将大大增加少数细胞获得它们生存所需的突变的可能性。然后，这些细胞会将它们的成功传递给后代。
霍尔有一些实验证据支持他的观点，即幸存的细菌是超突变的：他发现，除了有益的突变外，它们还出现了少量无用的突变。但他无法说明是什么分子机制导致细胞在不分裂的情况下变得超突变。罗森堡说，缺乏一种机制限制了霍尔理论的影响。除非科学家有一个机制来解释一种现象，否则他们不会相信它存在。
在凯恩斯和福斯特早期工作的基础上，罗森堡和她的同事们现在已经确定了一种可能的机制。凯恩斯和福斯特发现，一种叫做 Rec A 的酶对于形成这些令人费解的突变至关重要。罗森堡发现，另一种叫做 Rec BCD 的酶也同样关键。这些 Rec 酶一起使得一个细菌能够与另一个细菌交换基因，这在细菌的繁殖方式中扮演着类似“性行为”的角色。同样的酶也使单个细菌能够修复其 DNA 的严重损伤——例如双链断裂。
罗森堡提出，这是一种可能使细胞变得超突变的方式。她解释说，正常的细菌染色体是环状的。她表示，我们知道 Rec BCD 的生物化学特性，它对环状 DNA 分子无能为力，因为它在双链断裂处加载。所以我们认为双链断裂可能是这种超突变状态的分子基础。
例如，当一个挨饿的细胞在操作过程中停止复制时，可能会形成双链断裂，导致其 DNA 在各个地方未解开——两条链被分开以进行复制。这些地方更容易断裂。Rec 酶会通过引入细胞内其他地方的 DNA 片段来修复断裂。但在修复细菌 DNA 时，它们可能会出错并导致突变。在少数情况下，这些突变可能会以某种方式改变 DNA，从而使细菌能够消化乳糖。那时，细菌就会重新开始进食和复制，并停止超突变。
罗森堡的设想很巧妙，但很明显，它无法解释所有观察到的定向突变现象。巴里·霍尔发现在不同的实验条件下——在这种条件下，大肠杆菌细胞必须发生突变才能产生它们生长所需的氨基酸——这些生物并不依赖 Rec 酶来摆脱困境。因此，细菌似乎可能拥有不止一种产生定向突变的方法。
然而，其中一种方法就足以从根本上改变我们对单细胞生物如何进化的理解。在标准的进化理论中，个体生物并不适应环境变化；是种群在适应。当发生变化时——例如，当突然间唯一的食物是乳糖时——那些碰巧已经具备应对变化能力的细胞是唯一存活下来的细胞，从那时起，种群就由它们的后代组成。然而，如果细菌能够变得超突变，那就意味着个体细胞有机会在变化发生后进行适应，从而拯救自己。这也意味着整个种群也变得更具适应性——霍尔认为，这或许可以解释单细胞微生物如何在早期地球的恶劣环境中生存和繁荣，当时它们是唯一的生命。
定向突变不太可能以同样的方式发生在高等生物中。拉马克关于获得性状可以遗传的观点可能适用于细菌，但不能适用于人类或长颈鹿。即使长颈鹿脖子中的细胞有可能（虽然不可能）发生突变，使其能够够到更高的树叶，这种变化也不会遗传给后代。唯一能传给下一代的基因突变是发生在精子或卵子细胞中的突变，它们不会改变父母的性状。
但这并不意味着定向突变完全不可能发生在高等生物中。癌症研究人员长期以来一直对非癌细胞如何经历成为癌细胞所需的无数次突变感到困惑。凯恩斯等人现在认为，超突变——不是由饥饿诱发的，而是由细胞癌变可能带来的好处诱发的——可能有助于解释这种转变。要理解这一点，你必须将人类细胞视为一个拥有独立利益的实体，而这些利益不一定与整个人类利益一致。凯恩斯解释说，正常细胞的行为非常规矩。它们只允许在特定条件下繁殖，而在其他条件下不允许。如果你愿意，可以说它们一直在经受着逃避这些规则的选择压力。因为如果它们能够逃避这些规则，它们就能繁殖，从它们的角度来看，这似乎是个好主意。
罗森堡认为，定向突变现象可能以不可预见的方式揭示人类生物学。在挨饿、不分裂的大肠杆菌中发生的事情，可能可以作为理解不分裂细胞（如脑细胞）中突变如何发生的一个模型。罗森堡说，大肠杆菌只是一种细菌，但它是一个你可以真正了解事物运作方式的系统。到目前为止，大肠杆菌的 DNA 的行为与人们研究过的其他所有生物的 DNA 一样。它将改变人们对像我们这样的大型多细胞生物会发生什么的想法。
