羽毛是典型的拓展适应（exaptation）。现代鸟类的祖先不会飞，但是它们的化石中存在羽毛。羽毛后来才成为鸟类飞行的工具。|  /articles/nature12301

苏黎世大学的Andreas Wagner和Aditya Barve通过计算机建模创建了随机的代谢系统，该系统需要消耗一种能源（fuel），通常也可以消耗从未使用过的其他能源。因此，如果一个假想的生物体被剥夺了通常的食物来源，它也可以接受全新的能源。在这种情况下，转换能源的能力导致了拓展适应。

分子进化生物学家 Joe Thornton 说：“我认为，越来越清楚的是：拓展适应在生物重要过程的进化中非常重要，现在有越来越多的证据印证了Gould和Vrba的发现。”

识别拓展适应需要回顾进化历史，这点很难在大多数生物学性状上实现。通过模拟进化、测试结果，Wagner 和 Barve 转换思路，回避了这个问题，而专注于新陈代谢，用计算机模拟代谢反应（reaction）的网络。生物体通过代谢反应来分解食物、产生生存和成长所必需的分子。

他们想知道：如果通过人工选择让网络使用特定碳源，如葡萄糖，它还可以使用像腺苷和乙酸盐这样的其他碳源吗？

建模研究产生的大多数代谢网络（每个节点是一个代谢反应网络），尽管只分解过葡萄糖，也可以使用其他类型的碳源。节点之间的连边表明：这两个网络可以使用同一个碳源 | 由Aditya Barve使用Gephi制作

因为这一广度的研究不能用真实的有机体，最开始，Barve和Wagner采用了细菌大肠杆菌所使用的1,397-反应网络的模型。他们试图通过交换大肠杆菌网络的代谢反应和随机选择的已知代谢反应，推演进化网络。虽然自然界的众多代谢反应尚未被完全研究清楚，但新陈代谢相对容易理解，而且比其他系统更普遍、更易于控制。

研究者为上述代谢反应的交换设定了要求：不论代谢反应如何交换交换，代谢网络必须始终能够利用葡萄糖。这个设定起到了自然选择的作用，过滤了那些会引起功能失调的代谢反应交换。

Barve和Wagner制造了500个代谢网络，每个都交换了5,000次。然后他们测试网络，能否代谢除葡萄糖之外的49种其他碳源中的任何一种。事实证明，96％的网络可以使用多个碳源，平均可以使用将近5个碳源，见下图b。

换言之，一种适应（葡萄糖）伴随着多种潜在的拓展适应（利用其他碳源）。

结果不仅限于葡萄糖驱动的网络。Wagner和Barve重复实验，选择使用其他49种碳源分子，发现大部分随机创建的网络可以在多种碳源上发挥作用，见下图a。

他们还发现，这种灵活性无法用所谓的“碳源之间的代谢接近（metabolic proximity）”来解释。下图b、c展现了不同的平均代谢距离（mean metabolic distance），按照该理论，网络应该更容易接受图b中代谢路径较短的新碳源。

但是实验表明，葡萄糖驱动的网络没有表现出该倾向，见下图d。Wagner表示：“如果代谢接近是拓展适应的唯一解释，那就没意思了。拓展适应可能是生物化学产生作用的必然结果。”

相反，网络的复杂性似乎决定了它的灵活性；网络中的反应越多，发生拓展适应的可能性就越大。Wagner说：“许多有机体的确可以设计成更简单的结构，研究结果表明，进化中的复杂性可能蕴含着重要的潜在优势。”

眼睛的晶状体充满了晶体蛋白（crystallins），可以折射光线并将其聚焦在视网膜上。晶体蛋白似乎是从其他无关的地方借来的。美国国立卫生研究院的名誉科学家Joram Piatigorsky指出，例如，在心脏和其他地方都发现了αB-晶体蛋白，保护其他蛋白质免于过大压力。其他晶体蛋白也可以催化代谢反应。

眼睛的晶状体充满了晶体蛋白（crystallins），可以折射光线并将其聚焦在视网膜上。| midtownvision

Barve和Wagner的工作促进了更多分子层次的实验。例如，Thornton研究了激素及其受体的进化，它们就像锁和钥匙一样匹配。他认为，在适当的环境中，可以征用配对的一半，产生新的激素受体系统。

31年前，Gould和Vrba认为，病毒带来的重复的DNA序列，称为“转座子”（transposons），起初可能没有直接作用，但以后可能会带来很大的优势。从那时起，研究表明，转座子在妊娠的进化中起着重要作用。耶鲁大学的进化生物学家，Andreas Wagner的前博士导师Günter Wagner教授表示，转座子来自病毒，但是可以发挥病毒之外的功能。初始原因和实际功能没有直接关系。

对新陈代谢的研究表明，新性状有积极意义，因为它能引发拓展适应。事实上，适应和拓展适应的比例相差很大。例如，人工选择使网络可以依靠葡萄糖生存，该网络平均可以利用将近5个其他碳源。Barve和Wagner认为，这促使人们反思对有益性状起源（origins of beneficial

想象一个情景，一位微生物学家发现隔离的新细菌可以利用相当常见的碳源维生。那么这位微生物学家会说，这是一种适应，细菌过去为了生存发展出了这种性状，因此可以利用该种碳源维生。但是观察结果表明，这不一定全对，也许这只是一种衍生性状。

Wagner说：“如果我们发现的拓展适应普遍成立，那么将很难区分适应性性状和非适应性性状。”

即使在本研究之前，也很难区分这两个概念：适应与拓展适应，即非适应性性状或适应其他目的的性状。Gould和Vrba承认，二者有相互作用，而且，任何复杂特征都是两者共同作用的结果。

然而，其他人则认为，区分适应与扩展适应是不可能的，Gould和Vrba对扩展适应的定义是多余的。英国杜伦大学（Durham University）的进化生物学家Greger Larson表示：“没有任何东西是为了现在的功能而设计的。”他和他的同事们发现，在进化生物学文献中，“拓展适应”相对于“适应”的使用频率逐年下降，因为二者缺乏明确的划分——他们建议重新定义这个词。

因为过去选择压力的模糊性，很难说任何特质具有真正的适应性。鸟类和蝙蝠的翅膀可以被认为是手臂的拓展适应；然而，随后的结构改变不能称为适应，美国自然历史博物馆的脊椎动物古生物学家Mark Norell解释说，因为我们谈论的是历史事件，这是没法测试的。

但是，有些人反驳说，拓展适应和适应确实是两个截然不同而有意义的现象，尽管这种区别可能比较微妙。Thornton在一封电子邮件中写道：“事实上，几乎现存的一切都修改自以前的形式，但这并不是决定性的。”他和其他人所说的决定性因素是指自然选择。

Thornton提供了两个例子：如果新的突变使酶能够去除环境中的农药污染，那么解毒作用就是一种适应，也就是说，它是自然选择的结果。另一方面，如果负责调节一个过程的激素被征用于调节第二个过程，那就是一种拓展适应，因为激素不是通过自然选择进化来调节第二个过程。

Barve和Wagner理论方法的优势在于：他们绝对可以证明拓展适应的潜力而不受任何历史背景的约束。通过随机生成代谢网络，他们能够回避真实微生物会有的进化包袱。但要真正评估进化中拓展适应的作用，他们需要在验证在生物体中验证结果。这是他们接下来的目标。

尽管问题很难，Wagner表示研究组仍在努力解决中。

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原文始发于微信公众号（集智俱乐部）：

大多数雄性动物都是生殖和排泄共用一个器官，有些同学认为这可能是进化上的缺点和劣势。但其实并非如此，如果这都算劣势，那你让卵、粪、尿都从一个泄殖孔排出的单孔类哺乳动物怎么办？单孔类代表就是鸭嘴兽和针鼹，是比较原始的哺乳动物，也是唯一卵生的哺乳动物。

在讨论这个问题之前，我们要先了解一下，那就是目前生物的所有特征性状都是经过漫长时间的考验，当然也有一些是进化上的BUG缺陷，但对机体没有致命的影响。

以人类为例子，在数百万年前人类开始直立行走解放双手，这样就可以发明工具、制造工具和使用工具，但直立行走给我们带来很多的弊端：

首先是产道变窄，增加了难产的风险，为了降低这个改变带来的影响，需要让婴儿未完全发育成熟就通过狭窄的产道，和大部分动物相比较某种意义上来说人类都是早产儿。

其次顶着大脑壳，对直立的脊椎腰椎等都是莫大的考验，除了人类之外没有任何动物会出现脊椎病或者腰椎疾病。

最后直立行走拖慢了我们的奔跑速度，人类的速度和野生动物相比较差的很远，但是耐力相对好一下，这也算是优势之一吧！

但是人类这些因为直立行走带来的弊端，对人类这个物种的发展不会产生致命影响。那么大部分雄性动物生殖细胞排放和身体废液排出体外共用一个器官，也算不上是缺点，某种意义上来讲更加的相辅相成，有一定优势。

生物的进化有这样一个原则，越早出现的性状在后期就越不容易被改变，而像生物的生殖系统和排泄系统，最后都集中在一起就是这样的道理。现存的大部分生命体机基本结构都是从远古时期遗传而来的，从最开始的原口生物，它们只需要进食和排泄，哪里吃进去哪里排出来，至于繁衍后代直接是无性繁殖。

要知道生物进化的过程中，无性生殖要早于有性生殖出现，最开始地球上的生命偶然的出现，只具备摄取海水中营养物质的器官就好了，而排泄就是原路出去。生物不能永生，那就需要繁殖，最简单的就是一分为二，直接分裂了。

随着发展有性生殖偶然间出现，科学家无法确定有性生殖出现的推动力，只能用“偶然”来形容了。起初并不需要进行接触，大家各自排放出生殖细胞就行了，因此没有专门的口，只能从排遗口出来了。

现在的鸟类都有个卵、粪、尿共用的泄殖腔，这也并不影响它们的生存，当然对于卵生动物影响很小，就像大家喜欢吃的鸡蛋，蛋上粘点鸡粪也并不罕见，但如果是胎生就不行了。因此随着进化，产道和排遗口就分离开了，当然这是雌性动物，但雄性动物依然没有变化，生殖和排泄共用一个器官。

和早期是类似的，因为只需要排出生殖细胞即可，就没有进化出单独的口，完全没有必要。

对于这个问题，从生物最开始的演化来看就可以，从原口生物、后口生物开始最基本的构造就形成了，以后的发展进化都是适应性的，大的构架无需改变，有必要就进化出单独的孔，如果没必要自然就是共用的了。

文/科学黑洞，图片来源网络侵删。