自然选择之前 基因网络引导进化过程

自然选择是一个种族的繁殖过程，具有不同特征的个体之间的生存竞争，能够帮助引导一个物种的进化。当科学家们开始探索塑造不同个体形态机能的复杂基因网络时，他们可能会提出一个有关进化的新问题：这些基因网络的结构如何决定哪些个体出现在进化的起跑线上，在生存竞争开始之前，默默地影响生物进化?

伊利诺伊大学的研究人员凯伦 西尔斯和佐伊 拉布蒂，与伊利诺斯大学以及其他四个机构的合作者，通过探索引导哺乳动物肢体发育的基因网络来解决这个问题。

他们发现在进化早期，当肢体刚刚形成时，基因活动在这个网络中变化很小;之后，当复杂的肢体结构开始出现时，这个网络在结构上发生变化，基因活动也在广泛变化。这种模式使得进化过程中更容易调整肢体结构而不是重造它们。

“当我们观察动物的进化史时，我们发现一些生命形态会反复进化，而有些形态却一直没有进化，”西尔斯说。“我想知道在生成这些模式方面进化所起的作用。”

西尔斯，动物生物学副教授，拉布蒂数学系副教授，领导了这项研究，相关成果发表在了PLOS Genetics期刊上。西尔斯也是Carl R. Woese基因组生物学研究所成员。

许多基因编码蛋白影响或调节彼此的活动。这些功能性连接以及参与其中的基因，可以被想象成一个蜘蛛网的线和交叉点。其中的一些交叉点比其他的点强或者弱，在它们所在的网络中，一些基因比其它基因有更多的连接。计算模型可以用数学方法描述这个网络结构。

西尔斯，拉布蒂和同事们想要知道当一个机会出现的时候，会发生什么，比如基因突变，会导致一个基因活动的改变。整个基因网络以及随着而来的进化过程会在多大程度受到影响?

利用已发布的基因相互作用数据，他们创建了一个针对肢体进化的早期和晚期阶段，基因如何相互作用的模型。这个模型能够让他们从了解基因网络并观察网络的其他部分被破坏的程度。

研究人员发现，在早期的肢体发育过程中，网络可以抵抗变化的传播，即使当一个基因的活动被改变，网络作为一个整体的功能仍然像往常一样。然而，在后来的肢体发育过程中，网络的体系结构是不同的，一个基因活动的变化有更广泛的影响。

此外，针对四个不同哺乳动物(老鼠、蝙蝠、负鼠和猪)的肢体发育过程所做的实证研究表明，进化早期与晚期的基因进化活动是完全不同的。当比较同一物种的不同个体，以及比较不同物种的基因活动时，就会发现这确实是真实情况。

所有这些研究，这些理论和实证研究结果支持西尔斯的初始假设，即基因组机制制约不同哺乳动物的早期肢体发育的程度是不同的。从进化的角度看，这有很大的意义。

“如果早期进化中断，肢体发育将会受到严重干扰，而且不可能导致肢体结构选择有利的进化方向，”西尔斯说。“进化后期，这个阶段不会有太多的下游影响，这个时候有可能发生更加自由化的进化因为这个变化的后果不太严重。”