定向進化是什么？幾周完成自然界幾萬年，在實驗室里“馴服”進化

本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

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出品 | 海潮天下

定向進化（Directed Evolution）是一種模仿大自然選擇過程的技術，人為地引入基因突變，再根據突變后的特性進行篩選，最終獲得具有某種特定功能或優良特性的生物分子（比如酶、蛋白質或代謝途徑等）。簡單來說，就是通過模擬自然界中物種逐漸適應環境的方式，快速讓生物體擁有人類想要的特性。這項技術極大地推動了生物技術的發展，在蛋白質研究、代謝途徑優化、新型生物催化劑的創造等多個領域都取得了顯著進展。

上圖是一個將定向進化自然進化相比較的示例。內圈展示了定向進化周期中的三個階段，并用括號標注了其模仿的自然過程（natural process）。外圈則描述了一個典型實驗的具體步驟。紅色符號代表具有功能的變體（functional variants），而淺色符號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，定向進化是一項讓人類“接管”自然進化方向的技術，通過加速和精確化改造生物分子和系統，它為解決許多現實問題提供了創新的工具。

要理解定向進化，我們先來看一下傳統的生物工程技術。

以前，科學家們一般借助“理性設計”的方法來改造酶或蛋白質。這種方法的核心在于，通過了解分子結構和功能，科學家可以預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整。但，這種方法面臨一個很大的難題：很多生物分子的結構和功能遠比我們想象的要復雜。尤其是，當我們研究的對象涉及多個分子協同工作時，傳統的設計方法常常顯得力不從心。此時，定向進化就顯得尤為重要，因為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。定向進化的基本步驟其實很簡單：首先，科學家會對目標分子進行一些隨機突變；然后，通過篩選的方法，找到那些表現出我們所期望的特性的突變體。為了實現這一過程，科學家們會用到多種技術手段，例如基因重組、DNA突變、擴增和克隆等技術。舉個例子，假如我們想要提高一種酶的催化效率，研究人員就會讓這種酶的基因隨機變異，再篩選出那些表現得更好、更高效的酶，最終獲得我們需要的“改良版”。定向進化有一個特別大的優點，就是它不需要事先了解目標分子的詳細結構或機制，反而是通過“試錯”的方式來找到最好的結果。

以酶為例，科學家通過對基因的多輪突變和篩選，發現一些在沒有任何理論預測的情況下，酶催化效率大大提高的變種。比如，研究人員通過定向進化對某些酶進行了改造，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果。定向進化不但可以應用于酶的改良，它也被廣泛應用于更復雜的代謝途徑優化中。代謝途徑可以看作是微生物體內一系列環環相扣的化學反應，這些反應共同作用，最終將某些原料轉化為我們需要的產物。為了提高產物的產量或改善生產過程，研究人員往往需要對其中的某些關鍵酶進行改造。但是，代謝途徑的復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，定向進化通過引入多輪突變和篩選，能夠不僅優化單個酶的功能，還能有效調整整個代謝途徑的流量，從而提高目標產物的生產效率。比如，某些研究人員通過定向進化的手段，成功提高了番茄紅素的生產效率，或者優化了某些抗生素的合成途徑。此外，定向進化在環境保護方面也發揮了重要作用。舉個例子，研究人員通過定向進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境下生存并發揮作用。這樣的微生物可以被用來清理被砷污染的環境。其實，定向進化不僅能幫助我們提高微生物的生產效率，還能讓它們在廢棄物處理、環境修復等方面發揮更大的作用。隨著技術的不斷進步，定向進化的應用領域已經遠遠超出了我們最初的想象。定向進化的成功與否，離不開強大的篩選系統和實驗設計。篩選就是通過一些方法，找出那些表現出理想特性的突變體。篩選方法是定向進化能否順利進行的關鍵。如果目標產物的產量很低或者不容易檢測，傳統的篩選方法就可能行不通。為了解決這個問題，科學家們不斷研發新型的篩選技術。比如說，有些研究人員通過利用轉錄因子篩選法，這種方法不需要直接檢測目標產物的濃度，而是通過轉錄因子和目標產物結合的特性間接反映目標產物的產生情況。這種篩選方法，不僅提高了篩選的效率，還為復雜的代謝途徑優化提供了新的思路。

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，而不是通過自身的光合作用。因此，菟絲在自然進化過程中失去了大多數植物所必需的葉片和根，只保留了不能進行光合作用的莖。攝影：Linda（攝于北京圓明園） ?海潮天下（Marine Biodiversity）

始祖鳥的化石標本。?海潮天下（Marine Biodiversity）原創圖庫

從起源到發展：定向進化的歷史

定向進化這個概念的起源，可以追溯到上世紀60年代，那時候科學家做了個非常有趣的實驗，叫“斯皮格爾曼怪物”（Spiegelman's Monster）。

在這個實驗中，RNA分子被成功“進化”了，這讓人們第一次認識到，生物分子是可以通過人為干預來改變的，這也為后來改造分子奠定了理論基礎。 后來，科學家把這個思路用到了蛋白質的研究上。他們發現，只要施加特定的“選擇壓力”，比如創造一些有利的條件，能讓細菌進化出更好的基因。就這樣，一個原本普通的基因可以在一定條件下被優化，變成性能更強的“升級版”。 到了上世紀80年代，噬菌體展示技術的出現讓這項研究更上一層樓。這項技術可以讓科學家專門對某個蛋白質下手，通過突變和篩選來增強它的能力，比如讓蛋白質的結合能力變得更強。但當時的技術還有局限性，比如在篩選酶的催化活性時還不夠給力。直到90年代，針對酶的定向進化方法被開發出來，這才讓這項技術真正變得“親民”，吸引了更多研究者參與進來。 2018年，可以說是定向進化領域的“高光時刻”。美國科學家弗朗西斯·阿諾德（Frances Arnold）因為在酶進化領域的突出貢獻，與喬治·史密斯（George Smith）和格雷戈里·溫特（Gregory Winter）兩位科學家共同榮獲諾貝爾化學獎。這三人分別貢獻了酶進化和噬菌體展示兩大核心技術，這讓定向進化成為生命科學的一項里程碑成果，也讓人們看到了這項技術的巨大潛力。

2018年諾貝爾化學獎花落上面三位科學家，他們通過巧妙地運用自然選擇原理，對蛋白質進行定向進化，從而解決了人類面臨的許多問題。這項突破性的研究成果被認為是為酶工程、抗體藥物等領域帶來了革命性的變革。圖源：nobelprize.org

從基因突變到超級酶，一場“生物選秀”如何改變世界？

定向進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；接下來對這些選手進行一輪又一輪的篩選或者比拼，挑出“表現最好”的那些；最后，讓這些“優勝者”進入下一輪循環，進一步優化它們的能力。這個過程，可以一直進行下去，直到找到你最理想的“超級明星”。

在定向進化中，基因庫的多樣性是關鍵，因為它決定了你有多少選擇。但問題是，實驗中，基因庫規模通常受技術和篩選手段的限制——你不可能無窮無盡地測試所有變種。為了破解這個難題，科學家們一般會“有的放矢”，專注于那些可能跟功能最相關的基因片段。比如，通過研究蛋白質的結構、借助計算機建模，或者查看同類生物的進化歷史，來圈定一些“重點嫌疑位點”。如果沒有這些線索，也可以采用更簡單粗暴的辦法——隨機突變，全面撒網，總會捕到“魚”。

除了隨機突變，還有一種叫基因重組的技術也很厲害。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，生成一個全新的“雜交選手”。這樣的手段不僅能產生意想不到的功能，還特別適合開發自然界中從未見過的全新蛋白質。

挑選的過程，其實有點像淘汰賽?？茖W家要從成千上萬個變種中，找到那些功能最接近目標的。為了提高效率，篩選方法需要平衡精確性和規模。

低通量篩選，類似于“單打獨斗”：每次只測一個變種的性能，雖然很準，但速度慢，不適合面對大規模基因庫。相反，高通量篩選則更像“團體賽”，通過借助間接信號（比如顏色變化或者發光強度）來判斷蛋白質功能，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”的機制，讓只有目標功能的蛋白質能生存下來。雖然這種方式不如直接篩選那么精準，但它在應對大規模基因庫時，絕對是一種高效、又省事的好辦法。

定向進化的魅力在于，它把自然界“隨意性”的進化方式，和人為“有目標”的挑選機制結合在了一起。這不僅讓科學家手里多了一種強大的工具，也為我們設計和改造生物分子、解決實際問題提供了無限可能。想象一下，未來的定向進化可能會帶來什么？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，這項技術已經證明了它的潛力，而它的未來一定會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，就是挑刺有點兒麻煩，家里老太太對此提出了抗議，希望下次吃沒刺的三文魚魚片。淡水魚之所以有刺，是因為它們的骨骼結構特性，而刺其實是細小的骨骼分支。暢想一下未來——通過定向進化，或許可以鎖定控制這些骨骼發育的關鍵基因……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）

挑戰與局限性

定向進化的應用，如今已經非常廣泛，幾乎覆蓋了生物學的每個角落。

雖然定向進化技術已經在很多領域取得了顯著進展，但它仍面臨一些挑戰、一些無法忽視的局限性。

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

從進化論的角度來看，鯨鯊這種大海中的“溫柔巨獸”是一個非常有趣的物種。作為地球上最大的魚類，它們的體型和習性都經歷了漫長的演化過程，適應了海洋生態環境。它是僅有的三種濾食性鯊魚之一。與其他攻擊性強的鯊魚不同，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屏障。鯨鯊通過濾食浮游生物為主，這種進化出的食物獲取方式使它們不需要像其他鯊魚一樣展現出攻擊性。盡管如此，鯨鯊偶爾也會遭到其他鯊魚的攻擊，可能會在尾巴或鰭部留下咬痕，但這些攻擊通常不會致命。鯨鯊的體型在進化中為其提供了巨大的生存優勢，幫助它們在海洋中占據了一席之地，同時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，科學家們正在探索更多的高效方法。如，隨著基因組學和合成生物學技術的發展，定向進化的效率有了大幅提升。通過高通量的基因合成和自動化篩選平臺，科學家能夠在短時間內生成大量的突變體，并迅速篩選出最優秀的突變體。隨著這些新技術的應用，定向進化將變得更加高效，也能夠處理更加復雜的生物系統?？梢哉f，定向進化是一項非常強大的技術，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，迅速優化酶類、蛋白質、代謝途徑等生物分子的性能。科學家們用這種方法，不僅能夠提高生物產品的生產效率，還能創造出新的生物催化劑，甚至開發出對環境污染有修復作用的微生物。隨著技術的不斷進步，定向進化將會在更多領域發揮作用，推動生物技術向更深、更廣的方向發展。

阿德利企鵝（Adele penguins）幾乎可以說是為了適應南極嚴寒環境而進化出來的。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捕食它們（另外，企鵝蛋和小企鵝偶爾會被盜賊鷗吃掉）。因此，它們不需要像其他動物那樣群體防御，而是可以獨自或小范圍聚集在一起，安心覓食和休息。它們常常在同一個海灘區域進食和休息，利用這片區域的資源，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）

定向進化，對保護生物多樣性有啥用？

2024年11月28日在《科學》期刊發表的一篇文章《自然選擇是否能決定盤狀珊瑚在預期氣候變化下的存續》里面提到，在帕勞（Palau）的海洋苗圃中，英國紐卡斯爾大學研究人員領導的科研團隊對珊瑚種群進行監測，選出對高溫環境表現出更強耐受能力的個體。這就是一種定向輔助進化，是一種通過人工干預加速物種進化過程的技術，通常涉及選擇性繁育或基因編輯，旨在增強物種在特定環境下的適應能力，如提升珊瑚對高溫的耐受力。盡管定向進化目前仍處于實驗階段，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境中提供生存的希望。

定向進化在生物多樣性保護中的應用，可能聽起來有些陌生，但其實它已經在很多領域發揮著舉足輕重的作用。簡單來說，定向進化就像是“巧妙地調皮搗蛋”，通過人類的“巧手”，來加速生物體內的基因突變，改變或改進生物的特性。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”，從而更好地適應環境變化。最初，這項技術主要用于蛋白質和酶的研究，但隨著科技的發展，定向進化已經被應用到生物多樣性保護、生態恢復和環境修復等方面，給我們的生態環境保護帶來了新的希望。第一，定向進化可以幫助我們應對環境變化、氣候變暖、污染等帶來的挑戰。近年來，隨著氣候變暖和環境污染的加劇，很多物種的棲息地受到了威脅，原本適應特定環境的生物，面臨著生存壓力。這時候，定向進化就派上了用場。通過這種技術，研究人員能夠加速物種的基因突變，幫助物種適應新的環境。比如，氣候變化帶來的極端天氣讓一些植物和動物的棲息地逐漸消失，過去能夠生存的環境條件不再適合它們。通過定向進化，我們可以幫助這些物種的基因進行優化，增強它們對新環境的適應能力，提高它們的生存幾率。定向進化不僅僅能幫助動物和植物適應環境，還能幫助微生物在污染環境中生存并發揮作用。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、清理污染等。尤其是在環境污染嚴重的地方，微生物的“降解能力”顯得尤為重要。但是一些污染物質的濃度過高，現有的微生物往往無法勝任了。而定向進化技術，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境中存活下來。舉個例子，通過定向進化，科學家們已經研發出一些能夠耐受高濃度有害物質（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，幫助解決污染問題。除了微生物，植物也能通過定向進化變得更加強健，適應不同的環境。我們知道，近年來因為氣候變化和人類活動，許多植物面臨著干旱、鹽堿化、重金屬污染等困境。通過定向進化，植物可以增加對鹽堿、干旱等惡劣環境的抵抗力，甚至能夠在原本不適宜的地區生長。比如，有些通過定向進化的植物，可以適應鹽堿地的生長環境，這樣它們就能在被鹽堿化嚴重的地區扎根生長，從而有助于恢復這些地區的生態環境。通過這樣的技術，不僅能改善植物的生長狀況，也能恢復這些地區的生態多樣性，幫助其他物種共同生存。除了幫助物種適應惡劣環境，定向進化還在保護瀕危物種方面大有作為。由于棲息地破壞、環境污染等原因，許多物種的數量已經急劇下降，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降低，面對環境變化時，很難找到合適的適應基因。這時，定向進化可以通過人為設計和篩選，向物種的基因組中引入有益的變異，幫助它們更好地應對環境變化。舉個例子，通過定向進化，科學家們可以給一些瀕危物種引入能增強它們適應力的基因，使它們在新的環境條件下能夠更好地生存。另外，定向進化還可以幫助生態修復工作。很多生態系統在長期的環境污染、氣候變化等因素下發生了變化，導致生態平衡被打破，原本的生態功能喪失。例如，一些微生物在土壤中的重要作用，如固氮、分解有機物等，可能會因為環境變化而失去作用。這時，定向進化就可以幫助微生物恢復或增強這些功能，進而恢復生態系統的穩定性。比如，通過定向進化，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物，從而改善土壤質量，促進植物生長，恢復被破壞的生態環境。值得一提的是，定向進化的技術還可以與人工智能、大數據等現代技術相結合，進一步提升生態保護的效率。通過大數據分析，我們可以更準確地預測哪些地區的生物多樣性面臨威脅，定向進化技術則可以幫助我們更快地找到適應環境變化的解決方案。人工智能技術可以幫助我們快速篩選出對物種保護有用的基因，定向進化則可以加速這些基因的篩選和優化，幫助物種更好地適應環境變化。這樣，定向進化與現代科技的結合，可以讓我們的生態保護工作更加高效、精準。

在閱讀文獻的時候，海潮天下（Marine Biodiversity）小編還注意到有一篇文章提到：近年來發展出的“連續進化技術”（Continuous Evolution Technology），讓這一過程更加自動化和高效。如，科學家可以在細胞內搭建一個循環進化系統，讓基因持續自發地突變、表達和篩選，從而實現更快速的優化。

上圖：海鬣蜥（Amblyrhynchus cristatus）是加拉帕戈斯群島特有的冷血爬行動物，也是世界上唯一一種適應海洋生活的蜥蜴。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，達爾文的探險隊抵達了加拉帕戈斯群島。達爾文在參觀加拉帕戈斯群島時，對那里的海鬣蜥產生了濃厚的興趣。這些海鬣蜥獨特的形態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物大相徑庭。達爾文注意到，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環境的變化逐漸進化出不同的特征，這為他后來的進化論理論提供了啟發。攝影：趙宇（圖文無關）| 海潮天下（Marine Biodiversity）

定向進化：倫理問題科技創新中倫理問題前瞻研究

定向進化這項技術雖然在科學研究和應用上帶來了許多進展，但同時也引發了不少倫理上的問題。隨著技術的快速發展，越來越多的人開始關注定向進化的潛力和風險，特別是在我們如何使用這項技術方面，產生了不少討論?？萍紕撔隆惱硐刃校萍紕撔轮袀惱韱栴}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化帶來的倫理問題。首先，“人類是否過度干預自然”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律。自然界的生物通過長時間的演化，在與環境的適應中慢慢改變，而定向進化則是通過人為干預，在很短的時間內改變生物的基因。有人擔心，這種人工進化會破壞生態系統的平衡，甚至可能會引發一些難以預料的后果。就像我們平時說的：“一失足成千古恨”，如果我們過度干預自然，最后很可能會收不到預期的效果，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。定向進化需要修改生物的基因，這就涉及到大量的基因數據和隱私問題。在一些情況下，這項技術甚至可能應用到人類身上，特別是在基因編輯領域，可能出現濫用的風險。如果沒有嚴格的監管，這些技術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，如果有人用定向進化技術去改變人的基因，制造所謂的“超級人類”；這不僅違反道德原則，還可能引發基因歧視和社會不公的現象。大家可以想象，如果基因數據被濫用，未來可能會出現基因“等級”，影響社會的公平和正義。“物種安全”的問題，同樣是定向進化技術中一個嚴重的倫理挑戰。通過定向進化改變某些物種的基因，可能會對生態系統產生意想不到的影響。比如說，我們通過定向進化提高某種農作物的抗病性或產量，雖然短期內看起來好像是有益的；但這些改變的作物如果進入自然環境，會不會改變原有的生態平衡？比如說，如果某些植物可能會過度繁殖，壓制其他物種的生長，或者導致生物鏈的改變，影響到其他物種的生存。那么，這就像是“引狼入室”，看似一時的好處，可能會帶來難以承受的后果。

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

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

雖然定向進化技術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用這些技術呢？尤其是，當這些技術涉及到人的基因時，人們的道德底線和社會觀念往往會出現很大的分歧。比如，如果通過基因編輯技術來“設計”嬰兒，或是改變人類身體的某些特征，很多人可能會覺得這是一種對自然法則和人類尊嚴的冒犯。更不用說，如果這種技術只能富人享受，那可能會加劇社會的不平等。社會各階層對這些技術的看法不一，如何平衡科學進步和道德底線，如何讓這些技術在不損害人類倫理的前提下應用，是一個值得深思的問題。另外還有一個，就是“生態責任”的問題，這也是我們需要考慮的重要問題。定向進化技術不僅改變某一物種，它的影響可能會波及到整個生態系統。以農業為例，雖然通過基因改良提高了作物的產量和抗性，改善了糧食安全問題，但這些改良可能會影響到土壤的質量、水源的分布，甚至會改變動物和植物之間的食物鏈。過度開發某些作物，可能會對環境產生不良影響，甚至導致生態系統的紊亂。就像“貪多嚼不爛”，在追求高產的同時，我們是否也考慮到了對自然環境的長遠影響呢？

退一萬步講，如果“技術失控”了呢？這個問題也不容忽視。定向進化的技術本身是中立的，但如果被濫用，可能會帶來無法預見的后果。比如，在軍事或生物武器領域，這項技術可能被用來制造出具有超強適應能力的“生物武器”，其后果可能是災難性的。因此，如何防止定向進化技術的濫用，確保它不被用于不當用途，是我們必須時刻警惕的問題。說來說去，技術是把雙刃劍，如何合理、負責任地使用它，關乎社會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，它們通常具有強健的腳部和爪子，適應于各種棲息地，從森林到草原、濕地、沙漠和城市等各種環境。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；鳴管發達，鳴聲復雜多變；孵卵多由雌鳥擔任，雛鳥多為晚成雛，等等。攝影：Linda攝于國家動物博物館

如果達爾文穿越過來……他會怎么看？

換而言之，“定向進化”的核心目標是：通過人為控制，快速實現自然進化在數十萬年內才能完成的功能改造。

筆者越寫越樂……突然想到，如果像現在流行的短劇一樣、能讓達爾文穿越過來，他會怎么看待這個問題？

▲上圖：加拉帕戈斯群島上發現的14種雀類中的4種。這些雀類被認為是經歷了一次適應性輻射演化而來，其喙的形狀呈現多樣化，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·達爾文于1845年出版的《貝格爾號航海記》中的相關研究，這些雀類，又被稱為達爾文雀或加拉帕戈斯雀，是達爾文進化論的重要證據之一。圖源：公域

如果達爾文穿越時空到現代，看到“定向進化”的手段，筆者估計，他可能會感到又驚訝。畢竟，他的“進化論”里提到，物種進化是通過自然選擇和環境壓力慢慢推進的，而現在我們居然能用基因剪刀給物種“整容”，加速進化過程！想象一下，如果他看到人類竟然可以選擇“強者”基因，他可能會搖頭嘆息“這不是進化，簡直是作弊！”不過，他又可能會想，“哇，這玩意兒能做出什么神奇的生物？！估計最終還是要擔心地奉勸上一句：“后生們啊，別拿進化當游戲，悠著點哇！…………”

海潮天下

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

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

全球海洋治理前沿

SAVING DUGONGS

【引用本文】

王芊佳.什么是“定向進化”？海潮天下·小百科.2026-02-21