進化通常被認為是一種隨機過程，作用于通過基因變異隨機出現的各種性狀。

已故古生物學家史蒂芬·杰·古爾德表示，如果我們讓進化的時鐘倒轉，并“重播生命的錄音帶”，他懷疑“任何像智人這樣的生物是否會再次進化出來。”

但一項關于竹節蟲的新研究表明，進化有時會以可預測的方式重復，這有助于我們理解生物如何發生變化以響應選擇壓力。

法國國家科學研究中心的進化生物學家帕特里克·諾西爾和同事們研究了竹節蟲的偽裝模式，主要是Timema cristinae。通過對 10 個不同地點 30 年的實地研究數據，他們發現重復是竹節蟲進化的一個關鍵部分。

T. cristinae竹節蟲長期野外種群中的重復進化。

( A ) T. cristinae的顏色模式變體插圖。( B ) 對隨時間推移高度可重復的進化動態的預測。每條線代表一個不同的種群，每一種群都表現出可預測的性狀或基因頻率隨時間“先上后下”的波動。( C ) 對隨時間推移不太可重復的進化動態的預測。與左側的面板相反，每個種群隨時間表現出不同的性狀或基因頻率變化模式。請注意任何單個時間序列（即種群或重復）內的可預測性和它們之間的可重復性之間的區別。( D ) 1990 年至 2023 年間T. cristinae變體頻率的經驗變化。橙線（中位數）和陰影 [95% 等尾概率區間 (ETPI)] 表示宿主植物Adenostoma的年平均值。藍線（中位數）和陰影（95% ETPI）表示宿主植物Ceanothus的年平均值。( E ) 特定種群的形態頻率隨時間的變化，代表重復進化動態（每個種群的平均年數 = 14）。結果顯示了本研究重點關注的 10 個核心種群（即重復）。

自 20 世紀 90 年代以來，諾西爾和同事們一直在加利福尼亞州圣巴巴拉附近山區的路邊捕捉這種不會飛的昆蟲。

三種不同的竹節蟲會偽裝自己，要么用白色條紋，要么用純綠色來匹配它們喜歡的寄主植物，要么用罕見的深色。竹節蟲每年只產卵一次，因此研究中的每一年都代表著新一代的竹節蟲，沒有重疊。

通過捕獲并記錄了 32,000 多只昆蟲，該團隊可以梳理出這些趨勢——發現在所有 10 個地理上分散的種群中，綠色和條紋竹節蟲的頻率每年都以可預測的方式循環。如果條紋在某一年變得不那么常見，那么在下一年它們就會增加，反之亦然。

然而，隨著時間的推移，融入森林地表的較稀有、深色昆蟲的比例保持相當低且穩定。

諾西爾及其同事在發表的論文中寫道：“我們的研究結果表明，對于同一性狀而言，進化既可重復，又復雜。”

NFDS 參數D的估計值及其在研究種群中的重復性。

( A ) 定向選擇下的假設時間序列，同時說明當前和后續的變異頻率，以及如何使用它們之間的差異來估計參數D。( B ) NFDS 下的假設時間序列。( C ) 定向選擇與 NFDS 下p和 Δ p之間關系的預測（分別為藍色和紅色）。當p接近于時，NFDS 下預計會出現強烈的負相關。（D ） T. cristinae中的重復時間序列數據揭示了 NFDS 的證據。具體而言，顯示的是每個研究地點的條紋變異頻率與連續時間點之間條紋頻率的變化。在 NFDS 下，預測存在負相關，正如在此處研究的所有 10 個種群中觀察到的那樣。擬合線與y軸上的零點相交的值（用水平線表示）是 NFDS 下預測的平衡頻率。

這一發現讓人想起了過去的研究，這些研究試圖理解為什么進化不斷創造（和毀滅）螃蟹，它們有側向的體型、堅硬的外殼和超大的爪子。研究還表明，其他生物，如刺魚，也有類似的趨勢，一遍又一遍地進化出相同的性狀。

然而，大多數研究結果僅來自一個或幾個群體的研究，或短期實驗室實驗，這些實驗的時間不足以捕捉到可能產生有用性狀的基因突變的出現。

這項新研究回顧了數十年前生命歷史中的決定論和偶然性問題，但它也可能對未來產生影響。未參與這項研究的科學家認為，了解進化有時以可預測的方式進行，可以幫助研究人員預測生物體如何變化，從而管理種群。

但是由于 Nosil 和他的同事只研究了T. cristinae及其近親，他們只能推測其他分類群的結果可能有什么不一樣，或者動物王國和植物世界的其他部分的進化是否同樣可以預測。

現在確實似乎有大量的例子，從飛蛾和蝴蝶到魚、雀科、綿羊和鹿，這些物種都遵循可預測的進化路徑，回歸到有助于它們生存的經過檢驗的性狀。

平衡多態性與生態物種形成關系示意圖。

( A ) 生態物種形成的經典觀點，由于環境之間的不同選擇（此處表示為生態轉變對新棲息地的殖民化），種群之間發生了強烈的分化。( B ) 平衡多態性的經典觀點，其中不會發生分化，并且單個種群內存在波動。( C ) (A) 和 (B) 中所示過程的組合，其中種群之間存在一些分化，但不像 (A) 中那樣強烈，并且每個種群內都存在波動，因此這種情況代表了平衡的生態型。情景 (A) 至 (C) 中涉及的遺傳結構也可能有所不同，具體取決于所選擇特征的類型和數量，因此范圍從許多基因座 ( D )、主要基因座 ( E ) 或結構變異 ( F )。在T. cristinae中觀察到的情景與(C) 和 (F) 中所示的情景最為接近（橙色框表示強調），但請注意，此處顯示的是簡單、風格化的極端情況，僅用于說明目的。

譯者注：以下是論文中作者的討論。

跨時間尺度的可重復性

與在微生物中的發現一樣，我們的研究結果說明，進化動態并非由選擇或突變驅動，而是反映了進化因素之間依賴于環境的相互作用。一個關鍵因素是所涉及的時間尺度是否允許出現新的突變。

復雜系統中的可預測性和可重復性

我們的研究結果表明，復雜性和相互作用對于理解生物多樣性至關重要。這提出了一種可能性，即進一步研究進化相互作用的可重復性也可以為更普遍的復雜系統動態提供見解，涵蓋生命科學、物理科學和社會科學。

本文轉載自??克萊爾·沃森?? ?，作者： ??清熙??