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定向進(jìn)化（Directed Evolution）是一種模仿大自然選擇過程的技術(shù)，人為地引入基因突變，再根據(jù)突變后的特性進(jìn)行篩選，最終獲得具有某種特定功能或優(yōu)良特性的生物分子（比如酶、蛋白質(zhì)或代謝途徑等）。簡單來說，就是通過模擬自然界中物種逐漸適應(yīng)環(huán)境的方式，快速讓生物體擁有人類想要的特性。這項(xiàng)技術(shù)極大地推動(dòng)了生物技術(shù)的發(fā)展，在蛋白質(zhì)研究、代謝途徑優(yōu)化、新型生物催化劑的創(chuàng)造等多個(gè)領(lǐng)域都取得了顯著進(jìn)展。

上圖是一個(gè)將定向進(jìn)化自然進(jìn)化相比較的示例。內(nèi)圈展示了定向進(jìn)化周期中的三個(gè)階段，并用括號(hào)標(biāo)注了其模仿的自然過程（natural process）。外圈則描述了一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)的具體步驟。紅色符號(hào)代表具有功能的變體（functional variants），而淺色符號(hào)則表示功能減弱的變體（variants with reduced function）。圖片來源：Thomas Shafee（CC BY-SA 4.0）

換而言之，定向進(jìn)化是一項(xiàng)讓人類“接管”自然進(jìn)化方向的技術(shù)，通過加速和精確化改造生物分子和系統(tǒng)，它為解決許多現(xiàn)實(shí)問題提供了創(chuàng)新的工具。

要理解定向進(jìn)化，我們先來看一下傳統(tǒng)的生物工程技術(shù)。

以前，科學(xué)家們一般借助“理性設(shè)計(jì)”的方法來改造酶或蛋白質(zhì)。這種方法的核心在于，通過了解分子結(jié)構(gòu)和功能，科學(xué)家可以預(yù)測哪些部分需要改變，哪怕我們沒有充分的理解也能做出調(diào)整。但，這種方法面臨一個(gè)很大的難題：很多生物分子的結(jié)構(gòu)和功能遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜。尤其是，當(dāng)我們研究的對(duì)象涉及多個(gè)分子協(xié)同工作時(shí)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法常常顯得力不從心。此時(shí)，定向進(jìn)化就顯得尤為重要，因?yàn)?strong>它并不依賴于深入的理論分析，而是通過大量的突變和篩選，直接找到那些符合要求的生物分子。定向進(jìn)化的基本步驟其實(shí)很簡單：首先，科學(xué)家會(huì)對(duì)目標(biāo)分子進(jìn)行一些隨機(jī)突變；然后，通過篩選的方法，找到那些表現(xiàn)出我們所期望的特性的突變體。為了實(shí)現(xiàn)這一過程，科學(xué)家們會(huì)用到多種技術(shù)手段，例如基因重組、DNA突變、擴(kuò)增和克隆等技術(shù)。舉個(gè)例子，假如我們想要提高一種酶的催化效率，研究人員就會(huì)讓這種酶的基因隨機(jī)變異，再篩選出那些表現(xiàn)得更好、更高效的酶，最終獲得我們需要的“改良版”。定向進(jìn)化有一個(gè)特別大的優(yōu)點(diǎn)，就是它不需要事先了解目標(biāo)分子的詳細(xì)結(jié)構(gòu)或機(jī)制，反而是通過“試錯(cuò)”的方式來找到最好的結(jié)果。

以酶為例，科學(xué)家通過對(duì)基因的多輪突變和篩選，發(fā)現(xiàn)一些在沒有任何理論預(yù)測的情況下，酶催化效率大大提高的變種。比如，研究人員通過定向進(jìn)化對(duì)某些酶進(jìn)行了改造，使它們能在極端的溫度、酸堿度或鹽濃度條件下仍然穩(wěn)定工作。這種“隨便試試”的方法，往往能讓我們獲得意想不到的好結(jié)果。定向進(jìn)化不但可以應(yīng)用于酶的改良，它也被廣泛應(yīng)用于更復(fù)雜的代謝途徑優(yōu)化中。代謝途徑可以看作是微生物體內(nèi)一系列環(huán)環(huán)相扣的化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)共同作用，最終將某些原料轉(zhuǎn)化為我們需要的產(chǎn)物。為了提高產(chǎn)物的產(chǎn)量或改善生產(chǎn)過程，研究人員往往需要對(duì)其中的某些關(guān)鍵酶進(jìn)行改造。但是，代謝途徑的復(fù)雜性往往使得單一酶的改造并不能滿足我們的需求。在這種情況下，定向進(jìn)化通過引入多輪突變和篩選，能夠不僅優(yōu)化單個(gè)酶的功能，還能有效調(diào)整整個(gè)代謝途徑的流量，從而提高目標(biāo)產(chǎn)物的生產(chǎn)效率。比如，某些研究人員通過定向進(jìn)化的手段，成功提高了番茄紅素的生產(chǎn)效率，或者優(yōu)化了某些抗生素的合成途徑。此外，定向進(jìn)化在環(huán)境保護(hù)方面也發(fā)揮了重要作用。舉個(gè)例子，研究人員通過定向進(jìn)化改造微生物中的砷酸鹽還原酶，使其能夠在更高濃度的砷酸鹽環(huán)境下生存并發(fā)揮作用。這樣的微生物可以被用來清理被砷污染的環(huán)境。其實(shí)，定向進(jìn)化不僅能幫助我們提高微生物的生產(chǎn)效率，還能讓它們在廢棄物處理、環(huán)境修復(fù)等方面發(fā)揮更大的作用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，定向進(jìn)化的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們最初的想象。定向進(jìn)化的成功與否，離不開強(qiáng)大的篩選系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。篩選就是通過一些方法，找出那些表現(xiàn)出理想特性的突變體。篩選方法是定向進(jìn)化能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。如果目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量很低或者不容易檢測，傳統(tǒng)的篩選方法就可能行不通。為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們不斷研發(fā)新型的篩選技術(shù)。比如說，有些研究人員通過利用轉(zhuǎn)錄因子篩選法，這種方法不需要直接檢測目標(biāo)產(chǎn)物的濃度，而是通過轉(zhuǎn)錄因子和目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)合的特性間接反映目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)生情況。這種篩選方法，不僅提高了篩選的效率，還為復(fù)雜的代謝途徑優(yōu)化提供了新的思路。

菟絲（Cuscuta chinensis var. carinata (R. Br.) Engelm.），又稱黃絲藤、金絲藤，是一種著名的莖寄生植物。它主要依靠吸器從寄主植物中獲取營養(yǎng)，而不是通過自身的光合作用。因此，菟絲在自然進(jìn)化過程中失去了大多數(shù)植物所必需的葉片和根，只保留了不能進(jìn)行光合作用的莖。攝影：Linda（攝于北京圓明園） ?海潮天下（Marine Biodiversity）

始祖鳥的化石標(biāo)本。?海潮天下（Marine Biodiversity）原創(chuàng)圖庫

從起源到發(fā)展：定向進(jìn)化的歷史

定向進(jìn)化這個(gè)概念的起源，可以追溯到上世紀(jì)60年代，那時(shí)候科學(xué)家做了個(gè)非常有趣的實(shí)驗(yàn)，叫“斯皮格爾曼怪物”（Spiegelman's Monster）。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，RNA分子被成功“進(jìn)化”了，這讓人們第一次認(rèn)識(shí)到，生物分子是可以通過人為干預(yù)來改變的，這也為后來改造分子奠定了理論基礎(chǔ)。 后來，科學(xué)家把這個(gè)思路用到了蛋白質(zhì)的研究上。他們發(fā)現(xiàn)，只要施加特定的“選擇壓力”，比如創(chuàng)造一些有利的條件，能讓細(xì)菌進(jìn)化出更好的基因。就這樣，一個(gè)原本普通的基因可以在一定條件下被優(yōu)化，變成性能更強(qiáng)的“升級(jí)版”。 到了上世紀(jì)80年代，噬菌體展示技術(shù)的出現(xiàn)讓這項(xiàng)研究更上一層樓。這項(xiàng)技術(shù)可以讓科學(xué)家專門對(duì)某個(gè)蛋白質(zhì)下手，通過突變和篩選來增強(qiáng)它的能力，比如讓蛋白質(zhì)的結(jié)合能力變得更強(qiáng)。但當(dāng)時(shí)的技術(shù)還有局限性，比如在篩選酶的催化活性時(shí)還不夠給力。直到90年代，針對(duì)酶的定向進(jìn)化方法被開發(fā)出來，這才讓這項(xiàng)技術(shù)真正變得“親民”，吸引了更多研究者參與進(jìn)來。 2018年，可以說是定向進(jìn)化領(lǐng)域的“高光時(shí)刻”。美國科學(xué)家弗朗西斯·阿諾德（Frances Arnold）因?yàn)樵诿高M(jìn)化領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，與喬治·史密斯（George Smith）和格雷戈里·溫特（Gregory Winter）兩位科學(xué)家共同榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這三人分別貢獻(xiàn)了酶進(jìn)化和噬菌體展示兩大核心技術(shù)，這讓定向進(jìn)化成為生命科學(xué)的一項(xiàng)里程碑成果，也讓人們看到了這項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力。

2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)花落上面三位科學(xué)家，他們通過巧妙地運(yùn)用自然選擇原理，對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行定向進(jìn)化，從而解決了人類面臨的許多問題。這項(xiàng)突破性的研究成果被認(rèn)為是為酶工程、抗體藥物等領(lǐng)域帶來了革命性的變革。圖源：nobelprize.org

從基因突變到超級(jí)酶，一場“生物選秀”如何改變世界？

定向進(jìn)化的核心流程很像一場“選美比賽”——首先，你需要有一群“選手”，也就是通過基因突變生成的基因庫；接下來對(duì)這些選手進(jìn)行一輪又一輪的篩選或者比拼，挑出“表現(xiàn)最好”的那些；最后，讓這些“優(yōu)勝者”進(jìn)入下一輪循環(huán)，進(jìn)一步優(yōu)化它們的能力。這個(gè)過程，可以一直進(jìn)行下去，直到找到你最理想的“超級(jí)明星”。

在定向進(jìn)化中，基因庫的多樣性是關(guān)鍵，因?yàn)樗鼪Q定了你有多少選擇。但問題是，實(shí)驗(yàn)中，基因庫規(guī)模通常受技術(shù)和篩選手段的限制——你不可能無窮無盡地測試所有變種。為了破解這個(gè)難題，科學(xué)家們一般會(huì)“有的放矢”，專注于那些可能跟功能最相關(guān)的基因片段。比如，通過研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、借助計(jì)算機(jī)建模，或者查看同類生物的進(jìn)化歷史，來圈定一些“重點(diǎn)嫌疑位點(diǎn)”。如果沒有這些線索，也可以采用更簡單粗暴的辦法——隨機(jī)突變，全面撒網(wǎng)，總會(huì)捕到“魚”。

除了隨機(jī)突變，還有一種叫基因重組的技術(shù)也很厲害。這種方法就像拼樂高，把來自不同物種的基因片段重新組合，生成一個(gè)全新的“雜交選手”。這樣的手段不僅能產(chǎn)生意想不到的功能，還特別適合開發(fā)自然界中從未見過的全新蛋白質(zhì)。

挑選的過程，其實(shí)有點(diǎn)像淘汰賽?？茖W(xué)家要從成千上萬個(gè)變種中，找到那些功能最接近目標(biāo)的。為了提高效率，篩選方法需要平衡精確性和規(guī)模。

低通量篩選，類似于“單打獨(dú)斗”：每次只測一個(gè)變種的性能，雖然很準(zhǔn)，但速度慢，不適合面對(duì)大規(guī)?；驇臁Ｏ喾?，高通量篩選則更像“團(tuán)體賽”，通過借助間接信號(hào)（比如顏色變化或者發(fā)光強(qiáng)度）來判斷蛋白質(zhì)功能，一次能篩選成千上萬的變種，速度大大提升。

另外，還有一種叫選擇的方法特別高效，它直接通過“以成敗論英雄”的機(jī)制，讓只有目標(biāo)功能的蛋白質(zhì)能生存下來。雖然這種方式不如直接篩選那么精準(zhǔn)，但它在應(yīng)對(duì)大規(guī)?；驇?/strong>時(shí)，絕對(duì)是一種高效、又省事的好辦法。

定向進(jìn)化的魅力在于，它把自然界“隨意性”的進(jìn)化方式，和人為“有目標(biāo)”的挑選機(jī)制結(jié)合在了一起。這不僅讓科學(xué)家手里多了一種強(qiáng)大的工具，也為我們設(shè)計(jì)和改造生物分子、解決實(shí)際問題提供了無限可能。想象一下，未來的定向進(jìn)化可能會(huì)帶來什么？或許是治療罕見病的特效藥？或者是讓地球更清潔的超級(jí)酶？又亦或，用在食品加工里，讓吃貨們享受到更健康又美味的食物？（比如筆者的老媽就特別想吃到不用挑刺的淡水魚）……不管怎樣，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)證明了它的潛力，而它的未來一定會(huì)帶來更多意想不到的驚喜。

草魚，是中國四大家魚之一，也是一種常見的淡水魚。它是老百姓餐桌上常見的淡水魚類。很好吃，就是挑刺有點(diǎn)兒麻煩，家里老太太對(duì)此提出了抗議，希望下次吃沒刺的三文魚魚片。淡水魚之所以有刺，是因?yàn)樗鼈兊墓趋澜Y(jié)構(gòu)特性，而刺其實(shí)是細(xì)小的骨骼分支。暢想一下未來——通過定向進(jìn)化，或許可以鎖定控制這些骨骼發(fā)育的關(guān)鍵基因……通過幾輪篩選和改良，或許有可能培育出刺少甚至無刺的魚類……上圖是筆者11月30日晚上做的一條草魚。攝影 ?海潮天下（Marine Biodiversity）

挑戰(zhàn)與局限性

定向進(jìn)化的應(yīng)用，如今已經(jīng)非常廣泛，幾乎覆蓋了生物學(xué)的每個(gè)角落。

雖然定向進(jìn)化技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但它仍面臨一些挑戰(zhàn)、一些無法忽視的局限性。

首先，定向進(jìn)化需要使用高通量篩選方法來測試大量的隨機(jī)突變，這就意味著研究人員需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，來開發(fā)合適的篩選系統(tǒng)，確保能夠有效地檢測各種突變的效果。而這些篩選系統(tǒng)通常是針對(duì)某個(gè)特定的功能設(shè)計(jì)的，因此一旦某個(gè)篩選方法成功，它可能無法直接應(yīng)用到其他不同的定向進(jìn)化實(shí)驗(yàn)中。二是，定向進(jìn)化篩選出那些能夠改善特定功能的突變體，借此來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。這雖然能有效提升已選功能的表現(xiàn)，但不能保證這些改進(jìn)能夠應(yīng)用到其他底物或不同的功能上。尤其是在某些情況下，目標(biāo)活性無法直接通過篩選來測量，研究人員只能依賴一個(gè)“替代”底物來間接評(píng)估酶的活性。（注：換句話說，這種改進(jìn)有時(shí)候就像是“打一槍換一個(gè)地方”，很難保證它能跨越到別的領(lǐng)域，解決更廣泛的問題。）在這種情況下，定向進(jìn)化可能會(huì)導(dǎo)致酶更適應(yīng)替代底物，而沒有改善它對(duì)真正目標(biāo)底物的活性。因此，選擇合適的篩選條件對(duì)于定向進(jìn)化的成功至關(guān)重要。此外，定向進(jìn)化的速度也是一個(gè)挑戰(zhàn)。雖然從理論上來講，某些表型的進(jìn)化是可行的，但在實(shí)際操作中，這一過程可能需要很長時(shí)間，而這對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)來說可能是很不現(xiàn)實(shí)的。

從進(jìn)化論的角度來看，鯨鯊這種大海中的“溫柔巨獸”是一個(gè)非常有趣的物種。作為地球上最大的魚類，它們的體型和習(xí)性都經(jīng)歷了漫長的演化過程，適應(yīng)了海洋生態(tài)環(huán)境。它是僅有的三種濾食性鯊魚之一。與其他攻擊性強(qiáng)的鯊魚不同，鯨鯊無需通過捕食和攻擊來生存，它的巨大體型本身就成了最好的保護(hù)屏障。鯨鯊?fù)ㄟ^濾食浮游生物為主，這種進(jìn)化出的食物獲取方式使它們不需要像其他鯊魚一樣展現(xiàn)出攻擊性。盡管如此，鯨鯊偶爾也會(huì)遭到其他鯊魚的攻擊，可能會(huì)在尾巴或鰭部留下咬痕，但這些攻擊通常不會(huì)致命。鯨鯊的體型在進(jìn)化中為其提供了巨大的生存優(yōu)勢，幫助它們在海洋中占據(jù)了一席之地，同時(shí)也避免了過多的捕食壓力。上圖是卡塔爾海域中的鯨鯊。?攝影：王敏幹（John MK Wong）

為了提高效率，科學(xué)家們正在探索更多的高效方法。如，隨著基因組學(xué)和合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，定向進(jìn)化的效率有了大幅提升。通過高通量的基因合成和自動(dòng)化篩選平臺(tái)，科學(xué)家能夠在短時(shí)間內(nèi)生成大量的突變體，并迅速篩選出最優(yōu)秀的突變體。隨著這些新技術(shù)的應(yīng)用，定向進(jìn)化將變得更加高效，也能夠處理更加復(fù)雜的生物系統(tǒng)?？梢哉f，定向進(jìn)化是一項(xiàng)非常強(qiáng)大的技術(shù)，它幫助我們在沒有完全理解的情況下，通過引入突變和篩選的方法，迅速優(yōu)化酶類、蛋白質(zhì)、代謝途徑等生物分子的性能。科學(xué)家們用這種方法，不僅能夠提高生物產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，還能創(chuàng)造出新的生物催化劑，甚至開發(fā)出對(duì)環(huán)境污染有修復(fù)作用的微生物。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，定向進(jìn)化將會(huì)在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，推動(dòng)生物技術(shù)向更深、更廣的方向發(fā)展。

阿德利企鵝（Adele penguins）幾乎可以說是為了適應(yīng)南極嚴(yán)寒環(huán)境而進(jìn)化出來的。它們的羽毛特別密集，不僅能保暖，還能防水，幫助它們在冰冷的水中游得更快。阿德利企鵝幾乎沒有天敵，只有豹紋海豹和偶爾的虎鯨會(huì)捕食它們（另外，企鵝蛋和小企鵝偶爾會(huì)被盜賊鷗吃掉）。因此，它們不需要像其他動(dòng)物那樣群體防御，而是可以獨(dú)自或小范圍聚集在一起，安心覓食和休息。它們常常在同一個(gè)海灘區(qū)域進(jìn)食和休息，利用這片區(qū)域的資源，提高生存率。上圖是阿德利企鵝。上面這張圖片是1993年王敏幹在南極-2°攝氏度的海洋中游泳之后與企鵝的合影。供圖：王敏幹（John MK Wong）| 海潮天下（Marine Biodiversity）

定向進(jìn)化，對(duì)保護(hù)生物多樣性有啥用？

2024年11月28日在《科學(xué)》期刊發(fā)表的一篇文章《自然選擇是否能決定盤狀珊瑚在預(yù)期氣候變化下的存續(xù)》里面提到，在帕勞（Palau）的海洋苗圃中，英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)珊瑚種群進(jìn)行監(jiān)測，選出對(duì)高溫環(huán)境表現(xiàn)出更強(qiáng)耐受能力的個(gè)體。這就是一種定向輔助進(jìn)化，是一種通過人工干預(yù)加速物種進(jìn)化過程的技術(shù)，通常涉及選擇性繁育或基因編輯，旨在增強(qiáng)物種在特定環(huán)境下的適應(yīng)能力，如提升珊瑚對(duì)高溫的耐受力。盡管定向進(jìn)化目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段，但它提供了一種可能的氣候智慧型管理策略，為珊瑚礁在快速變暖的海洋環(huán)境中提供生存的希望。

定向進(jìn)化在生物多樣性保護(hù)中的應(yīng)用，可能聽起來有些陌生，但其實(shí)它已經(jīng)在很多領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。簡單來說，定向進(jìn)化就像是“巧妙地調(diào)皮搗蛋”，通過人類的“巧手”，來加速生物體內(nèi)的基因突變，改變或改進(jìn)生物的特性。就像是通過人工操控加速突變，讓生物像是有了“隱形的翅膀”，從而更好地適應(yīng)環(huán)境變化。最初，這項(xiàng)技術(shù)主要用于蛋白質(zhì)和酶的研究，但隨著科技的發(fā)展，定向進(jìn)化已經(jīng)被應(yīng)用到生物多樣性保護(hù)、生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境修復(fù)等方面，給我們的生態(tài)環(huán)境保護(hù)帶來了新的希望。第一，定向進(jìn)化可以幫助我們應(yīng)對(duì)環(huán)境變化、氣候變暖、污染等帶來的挑戰(zhàn)。近年來，隨著氣候變暖和環(huán)境污染的加劇，很多物種的棲息地受到了威脅，原本適應(yīng)特定環(huán)境的生物，面臨著生存壓力。這時(shí)候，定向進(jìn)化就派上了用場。通過這種技術(shù)，研究人員能夠加速物種的基因突變，幫助物種適應(yīng)新的環(huán)境。比如，氣候變化帶來的極端天氣讓一些植物和動(dòng)物的棲息地逐漸消失，過去能夠生存的環(huán)境條件不再適合它們。通過定向進(jìn)化，我們可以幫助這些物種的基因進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)它們對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)能力，提高它們的生存幾率。定向進(jìn)化不僅僅能幫助動(dòng)物和植物適應(yīng)環(huán)境，還能幫助微生物在污染環(huán)境中生存并發(fā)揮作用。我們知道，微生物在自然界中有很多重要功能，比如分解有害物質(zhì)、清理污染等。尤其是在環(huán)境污染嚴(yán)重的地方，微生物的“降解能力”顯得尤為重要。但是一些污染物質(zhì)的濃度過高，現(xiàn)有的微生物往往無法勝任了。而定向進(jìn)化技術(shù)，可以讓這些微生物通過基因改造變得更加耐受污染，甚至能在更高濃度的污染物環(huán)境中存活下來。舉個(gè)例子，通過定向進(jìn)化，科學(xué)家們已經(jīng)研發(fā)出一些能夠耐受高濃度有害物質(zhì)（如砷、汞等）的微生物，這些微生物能有效地清除土壤和水體中的有毒物質(zhì)，幫助解決污染問題。除了微生物，植物也能通過定向進(jìn)化變得更加強(qiáng)健，適應(yīng)不同的環(huán)境。我們知道，近年來因?yàn)闅夂蜃兓腿祟惢顒?dòng)，許多植物面臨著干旱、鹽堿化、重金屬污染等困境。通過定向進(jìn)化，植物可以增加對(duì)鹽堿、干旱等惡劣環(huán)境的抵抗力，甚至能夠在原本不適宜的地區(qū)生長。比如，有些通過定向進(jìn)化的植物，可以適應(yīng)鹽堿地的生長環(huán)境，這樣它們就能在被鹽堿化嚴(yán)重的地區(qū)扎根生長，從而有助于恢復(fù)這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。通過這樣的技術(shù)，不僅能改善植物的生長狀況，也能恢復(fù)這些地區(qū)的生態(tài)多樣性，幫助其他物種共同生存。除了幫助物種適應(yīng)惡劣環(huán)境，定向進(jìn)化還在保護(hù)瀕危物種方面大有作為。由于棲息地破壞、環(huán)境污染等原因，許多物種的數(shù)量已經(jīng)急劇下降，甚至面臨滅絕的威脅。特別是在一些基因庫較為貧乏的瀕危物種中，它們的基因多樣性已經(jīng)降低，面對(duì)環(huán)境變化時(shí)，很難找到合適的適應(yīng)基因。這時(shí)，定向進(jìn)化可以通過人為設(shè)計(jì)和篩選，向物種的基因組中引入有益的變異，幫助它們更好地應(yīng)對(duì)環(huán)境變化。舉個(gè)例子，通過定向進(jìn)化，科學(xué)家們可以給一些瀕危物種引入能增強(qiáng)它們適應(yīng)力的基因，使它們在新的環(huán)境條件下能夠更好地生存。另外，定向進(jìn)化還可以幫助生態(tài)修復(fù)工作。很多生態(tài)系統(tǒng)在長期的環(huán)境污染、氣候變化等因素下發(fā)生了變化，導(dǎo)致生態(tài)平衡被打破，原本的生態(tài)功能喪失。例如，一些微生物在土壤中的重要作用，如固氮、分解有機(jī)物等，可能會(huì)因?yàn)榄h(huán)境變化而失去作用。這時(shí)，定向進(jìn)化就可以幫助微生物恢復(fù)或增強(qiáng)這些功能，進(jìn)而恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比如，通過定向進(jìn)化，研究人員能夠讓一些微生物變得更加高效，幫助它們在土壤中固氮或分解有機(jī)物，從而改善土壤質(zhì)量，促進(jìn)植物生長，恢復(fù)被破壞的生態(tài)環(huán)境。值得一提的是，定向進(jìn)化的技術(shù)還可以與人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提升生態(tài)保護(hù)的效率。通過大數(shù)據(jù)分析，我們可以更準(zhǔn)確地預(yù)測哪些地區(qū)的生物多樣性面臨威脅，定向進(jìn)化技術(shù)則可以幫助我們更快地找到適應(yīng)環(huán)境變化的解決方案。人工智能技術(shù)可以幫助我們快速篩選出對(duì)物種保護(hù)有用的基因，定向進(jìn)化則可以加速這些基因的篩選和優(yōu)化，幫助物種更好地適應(yīng)環(huán)境變化。這樣，定向進(jìn)化與現(xiàn)代科技的結(jié)合，可以讓我們的生態(tài)保護(hù)工作更加高效、精準(zhǔn)。

在閱讀文獻(xiàn)的時(shí)候，海潮天下（Marine Biodiversity）小編還注意到有一篇文章提到：近年來發(fā)展出的“連續(xù)進(jìn)化技術(shù)”（Continuous Evolution Technology），讓這一過程更加自動(dòng)化和高效。如，科學(xué)家可以在細(xì)胞內(nèi)搭建一個(gè)循環(huán)進(jìn)化系統(tǒng)，讓基因持續(xù)自發(fā)地突變、表達(dá)和篩選，從而實(shí)現(xiàn)更快速的優(yōu)化。

上圖：海鬣蜥（Amblyrhynchus cristatus）是加拉帕戈斯群島特有的冷血爬行動(dòng)物，也是世界上唯一一種適應(yīng)海洋生活的蜥蜴。它們以海藻為食，通常在海邊巖石上曬太陽來維持體溫。海鬣蜥能潛入水中長達(dá)30分鐘，以鋒利的爪子攀附礁石采食藻類。它們具有特殊的鹽腺，可以排出體內(nèi)多余的鹽分；它們的爪子變得扁平，便于在巖石上攀爬；它們的尾巴扁平，有助于在水中游泳。1835年9月15日，達(dá)爾文的探險(xiǎn)隊(duì)抵達(dá)了加拉帕戈斯群島。達(dá)爾文在參觀加拉帕戈斯群島時(shí)，對(duì)那里的海鬣蜥產(chǎn)生了濃厚的興趣。這些海鬣蜥獨(dú)特的形態(tài)和行為深深吸引了他，特別是它們能夠在海水中自由游泳和潛水，捕食海藻等植物，這與其他陸地爬行動(dòng)物大相徑庭。達(dá)爾文注意到，這些海鬣蜥身上的黑色皮膚幫助它們在熱帶陽光下保溫，而它們的爪子和尾巴也非常適應(yīng)水中生活。觀察這些奇特的生物，讓他開始思考物種如何根據(jù)環(huán)境的變化逐漸進(jìn)化出不同的特征，這為他后來的進(jìn)化論理論提供了啟發(fā)。攝影：趙宇（圖文無關(guān)）| 海潮天下（Marine Biodiversity）

定向進(jìn)化：倫理問題科技創(chuàng)新中倫理問題前瞻研究

定向進(jìn)化這項(xiàng)技術(shù)雖然在科學(xué)研究和應(yīng)用上帶來了許多進(jìn)展，但同時(shí)也引發(fā)了不少倫理上的問題。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的人開始關(guān)注定向進(jìn)化的潛力和風(fēng)險(xiǎn)，特別是在我們?nèi)绾问褂眠@項(xiàng)技術(shù)方面，產(chǎn)生了不少討論?？萍紕?chuàng)新、倫理先行，科技創(chuàng)新中倫理問題前瞻研究是是不可以忽視的。所以接下來，我們就來說說定向進(jìn)化帶來的倫理問題。首先，“人類是否過度干預(yù)自然”的問題，可能是最直接、最常見的倫理爭議。簡單來說，定向進(jìn)化通過人工加速物種的演化過程，打破了自然界生物演化的規(guī)律。自然界的生物通過長時(shí)間的演化，在與環(huán)境的適應(yīng)中慢慢改變，而定向進(jìn)化則是通過人為干預(yù)，在很短的時(shí)間內(nèi)改變生物的基因。有人擔(dān)心，這種人工進(jìn)化會(huì)破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡，甚至可能會(huì)引發(fā)一些難以預(yù)料的后果。就像我們平時(shí)說的：“一失足成千古恨”，如果我們過度干預(yù)自然，最后很可能會(huì)收不到預(yù)期的效果，反而帶來一些無法挽回的損失。再說，“基因隱私和濫用”的問題也是不得不提的。定向進(jìn)化需要修改生物的基因，這就涉及到大量的基因數(shù)據(jù)和隱私問題。在一些情況下，這項(xiàng)技術(shù)甚至可能應(yīng)用到人類身上，特別是在基因編輯領(lǐng)域，可能出現(xiàn)濫用的風(fēng)險(xiǎn)。如果沒有嚴(yán)格的監(jiān)管，這些技術(shù)很可能被用來謀取私利，甚至被某些不法分子用于軍事或其他惡意目的。例如，如果有人用定向進(jìn)化技術(shù)去改變?nèi)说幕?，制造所謂的“超級(jí)人類”；這不僅違反道德原則，還可能引發(fā)基因歧視和社會(huì)不公的現(xiàn)象。大家可以想象，如果基因數(shù)據(jù)被濫用，未來可能會(huì)出現(xiàn)基因“等級(jí)”，影響社會(huì)的公平和正義。“物種安全”的問題，同樣是定向進(jìn)化技術(shù)中一個(gè)嚴(yán)重的倫理挑戰(zhàn)。通過定向進(jìn)化改變某些物種的基因，可能會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生意想不到的影響。比如說，我們通過定向進(jìn)化提高某種農(nóng)作物的抗病性或產(chǎn)量，雖然短期內(nèi)看起來好像是有益的；但這些改變的作物如果進(jìn)入自然環(huán)境，會(huì)不會(huì)改變原有的生態(tài)平衡？比如說，如果某些植物可能會(huì)過度繁殖，壓制其他物種的生長，或者導(dǎo)致生物鏈的改變，影響到其他物種的生存。那么，這就像是“引狼入室”，看似一時(shí)的好處，可能會(huì)帶來難以承受的后果。

上圖：部分病媒蚊蟲的標(biāo)本。攝影 ?海潮天下（Marine Biodiversity）原創(chuàng)圖庫

再者，“社會(huì)接受度”和“道德界限”的問題，也是日益討論熱烈的科技創(chuàng)新中倫理問題前瞻議題。前段時(shí)間筆者看到廣東釋放蚊子的新聞，很火，而且都是正面的報(bào)道。但是沒有一個(gè)報(bào)道中提到，這個(gè)事情是否經(jīng)歷了倫理審查？是否有風(fēng)險(xiǎn)？筆者是存疑的。至少，媒體報(bào)道中應(yīng)該提到倫理審查的事情。但是現(xiàn)在普遍意識(shí)不足，只是報(bào)喜不報(bào)憂。上次在一次國際基因組學(xué)大會(huì)上遇到做倫理的同行們，我表達(dá)了這樣一種觀點(diǎn)：其實(shí)許多生物多樣性傳播是可以略做得更好、更完善一些的……

雖然定向進(jìn)化技術(shù)在理論上有很大的潛力，但我們是否可以毫無顧慮地廣泛應(yīng)用這些技術(shù)呢？尤其是，當(dāng)這些技術(shù)涉及到人的基因時(shí)，人們的道德底線和社會(huì)觀念往往會(huì)出現(xiàn)很大的分歧。比如，如果通過基因編輯技術(shù)來“設(shè)計(jì)”嬰兒，或是改變?nèi)祟惿眢w的某些特征，很多人可能會(huì)覺得這是一種對(duì)自然法則和人類尊嚴(yán)的冒犯。更不用說，如果這種技術(shù)只能富人享受，那可能會(huì)加劇社會(huì)的不平等。社會(huì)各階層對(duì)這些技術(shù)的看法不一，如何平衡科學(xué)進(jìn)步和道德底線，如何讓這些技術(shù)在不損害人類倫理的前提下應(yīng)用，是一個(gè)值得深思的問題。另外還有一個(gè)，就是“生態(tài)責(zé)任”的問題，這也是我們需要考慮的重要問題。定向進(jìn)化技術(shù)不僅改變某一物種，它的影響可能會(huì)波及到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。以農(nóng)業(yè)為例，雖然通過基因改良提高了作物的產(chǎn)量和抗性，改善了糧食安全問題，但這些改良可能會(huì)影響到土壤的質(zhì)量、水源的分布，甚至?xí)淖儎?dòng)物和植物之間的食物鏈。過度開發(fā)某些作物，可能會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不良影響，甚至導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的紊亂。就像“貪多嚼不爛”，在追求高產(chǎn)的同時(shí)，我們是否也考慮到了對(duì)自然環(huán)境的長遠(yuǎn)影響呢？

退一萬步講，如果“技術(shù)失控”了呢？這個(gè)問題也不容忽視。定向進(jìn)化的技術(shù)本身是中立的，但如果被濫用，可能會(huì)帶來無法預(yù)見的后果。比如，在軍事或生物武器領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)可能被用來制造出具有超強(qiáng)適應(yīng)能力的“生物武器”，其后果可能是災(zāi)難性的。因此，如何防止定向進(jìn)化技術(shù)的濫用，確保它不被用于不當(dāng)用途，是我們必須時(shí)刻警惕的問題。說來說去，技術(shù)是把雙刃劍，如何合理、負(fù)責(zé)任地使用它，關(guān)乎社會(huì)的未來和人類的福祉。

上圖：雀形目（Passeriformes）是鳥類綱中最大、最多樣化的一個(gè)目，包括了約一半以上的鳥類物種。燕、雀、鶯、鵲、鴉、鶇、鹟、鴝都是本目的成員。雀形目的鳥類被稱為雀類或雀形鳥，它們通常具有強(qiáng)健的腳部和爪子，適應(yīng)于各種棲息地，從森林到草原、濕地、沙漠和城市等各種環(huán)境。雀形目鳥類分布于全球各大陸和島嶼，從極地到熱帶地區(qū)都有它們的足跡。這一目的鳥兒，普遍特征如：趾三前一后，均在一個(gè)平面上，趾間無蹼，后趾與中趾的長度幾相等，后爪一般長于中趾；鳴管發(fā)達(dá)，鳴聲復(fù)雜多變；孵卵多由雌鳥擔(dān)任，雛鳥多為晚成雛，等等。攝影：Linda攝于國家動(dòng)物博物館

如果達(dá)爾文穿越過來……他會(huì)怎么看？

換而言之，“定向進(jìn)化”的核心目標(biāo)是：通過人為控制，快速實(shí)現(xiàn)自然進(jìn)化在數(shù)十萬年內(nèi)才能完成的功能改造。

筆者越寫越樂……突然想到，如果像現(xiàn)在流行的短劇一樣、能讓達(dá)爾文穿越過來，他會(huì)怎么看待這個(gè)問題？

▲上圖：加拉帕戈斯群島上發(fā)現(xiàn)的14種雀類中的4種。這些雀類被認(rèn)為是經(jīng)歷了一次適應(yīng)性輻射演化而來，其喙的形狀呈現(xiàn)多樣化，從而能夠利用不同的食物來源。這四種雀類分別是大地雀 (Geospiza magnirostris)、中地雀 (Geospiza fortis)、小樹雀 (Geospiza parvula，現(xiàn)分類為小地樹雀 Camarhynchus parvulus) 以及小鶯雀 (Certhidea olivacea)。這幅由約翰·古爾德（John Gould，1804年9月14日 - 1881年2月3日）繪制的插圖，出自查爾斯·達(dá)爾文于1845年出版的《貝格爾號(hào)航海記》中的相關(guān)研究，這些雀類，又被稱為達(dá)爾文雀或加拉帕戈斯雀，是達(dá)爾文進(jìn)化論的重要證據(jù)之一。圖源：公域

如果達(dá)爾文穿越時(shí)空到現(xiàn)代，看到“定向進(jìn)化”的手段，筆者估計(jì)，他可能會(huì)感到又驚訝。畢竟，他的“進(jìn)化論”里提到，物種進(jìn)化是通過自然選擇和環(huán)境壓力慢慢推進(jìn)的，而現(xiàn)在我們居然能用基因剪刀給物種“整容”，加速進(jìn)化過程！想象一下，如果他看到人類竟然可以選擇“強(qiáng)者”基因，他可能會(huì)搖頭嘆息“這不是進(jìn)化，簡直是作弊！”不過，他又可能會(huì)想，“哇，這玩意兒能做出什么神奇的生物？！估計(jì)最終還是要擔(dān)心地奉勸上一句：“后生們啊，別拿進(jìn)化當(dāng)游戲，悠著點(diǎn)哇！…………”

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（聲明：1）本文僅代表資訊，供讀者參考，不代表平臺(tái)觀點(diǎn)。2）歡迎專家、讀者不吝指正、留言、賜稿！歡迎有理有據(jù)的不同意見。）

文 | 王芊佳

編輯 | 海潮君

排版 | 盧曉雨

【參考資料】
Cobb R E, Chao R, Zhao H. Directed evolution: past, present, and future[J]. AIChE Journal, 2013, 59(5): 1432-1440.https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4344831/#S2Liam Lachs et al. ,Natural selection could determine whether Acropora corals persist under expected climate change.Science0,eadl6480DOI:10.1126/science.adl6480https://www.ncl.ac.uk/press/articles/latest/2024/11/coraladaptationglobalwarming/
https://en.wikipedia.org/wiki/Directed_evolutionhttps://en.wikipedia.org/wiki/Nobel_Prize_in_Chemistry
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/summary/
Packer, M., Liu, D. Methods for the directed evolution of proteins. Nat Rev Genet 16, 379–394 (2015). https://doi.org/10.1038/nrg3927

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【引用本文】

王芊佳.什么是“定向進(jìn)化”？海潮天下·小百科.2026-02-21