王芊佳：“定向进化”是什么？对生物多样性有什么影响？

摘要：定向进化（Directed Evolution）是一种模仿大自然选择过程的技术，它通过人为地引入基因突变，再根据突变后的特性进行筛选，最终获得具有某种特定功能或优良特性的生物分子（比如酶、蛋白质或代谢途径等）。简单来说，就是通过模拟自然界中物种逐渐适应环境的方

本文来源于“海洋与湿地”（OceanWetlands）：

文 | 王芊佳

本文约10100字，阅读约22分钟

定向进化（Directed Evolution）是一种模仿大自然选择过程的技术，它通过人为地引入基因突变，再根据突变后的特性进行筛选，最终获得具有某种特定功能或优良特性的生物分子（比如酶、蛋白质或代谢途径等）。简单来说，就是通过模拟自然界中物种逐渐适应环境的方式，快速让生物体拥有我们想要的特性。这项技术极大地推动了生物技术的发展，在蛋白质研究、代谢途径优化、新型生物催化剂的创造等多个领域都取得了显著进展。

上图是一个将定向进化与自然进化相比较的示例。内圈展示了定向进化周期中的三个阶段，并用括号标注了其模仿的自然过程（natural process）。外圈则描述了一个典型实验的具体步骤。红色符号代表具有功能的变体（functional variants），而浅色符号则表示功能减弱的变体（variants with reduced function）。图片来源：Thomas Shafee（CC BY-SA 4.0）

换而言之，定向进化是一项让人类“接管”自然进化方向的技术，通过加速和精确化改造生物分子和系统，它为解决许多现实问题提供了创新的工具。

要理解定向进化，我们先来看一下传统的生物工程技术。

以前，科学家们一般通过“理性设计”的方法来改造酶或蛋白质。这种方法的核心在于，通过了解分子结构和功能，科学家可以预测哪些部分需要改变，哪怕我们没有充分的理解也能做出调整。但，这种方法面临一个很大的难题：很多生物分子的结构和功能远比我们想象的要复杂。尤其是，当我们研究的对象涉及多个分子协同工作时，传统的设计方法常常显得力不从心。此时，定向进化就显得尤为重要，因为它并不依赖于深入的理论分析，而是通过大量的突变和筛选，直接找到那些符合要求的生物分子。

定向进化的基本步骤其实很简单：首先，科学家会对目标分子进行一些随机突变；然后，通过筛选的方法，找到那些表现出我们所期望的特性的突变体。为了实现这一过程，科学家们会用到多种技术手段，例如基因重组、DNA突变、扩增和克隆等技术。举个例子，假如我们想要提高一种酶的催化效率，研究人员就会让这种酶的基因随机变异，再筛选出那些表现得更好、更高效的酶，最终获得我们需要的“改良版”。

定向进化有一个特别大的优点，就是它不需要事先了解目标分子的详细结构或机制，反而是通过“试错”的方式来找到最好的结果。以酶为例，科学家通过对基因的多轮突变和筛选，发现一些在没有任何理论预测的情况下，酶催化效率大大提高的变种。比如，研究人员通过定向进化对某些酶进行了改造，使它们能在极端的温度、酸碱度或盐浓度条件下仍然稳定工作。这种“随便试试”的方法，往往能让我们获得意想不到的好结果。

定向进化不仅仅应用于酶的改良，它也被广泛应用于更复杂的代谢途径优化中。代谢途径可以看作是微生物体内一系列环环相扣的化学反应，这些反应共同作用，最终将某些原料转化为我们需要的产物。为了提高产物的产量或改善生产过程，研究人员往往需要对其中的某些关键酶进行改造。但是，代谢途径的复杂性往往使得单一酶的改造并不能满足我们的需求。在这种情况下，定向进化通过引入多轮突变和筛选，能够不仅优化单个酶的功能，还能有效调整整个代谢途径的流量，从而提高目标产物的生产效率。比如，某些研究人员通过定向进化的手段，成功提高了番茄红素的生产效率，或者优化了某些抗生素的合成途径。

此外，定向进化在环境保护方面也发挥了重要作用。举个例子，研究人员通过定向进化改造微生物中的砷酸盐还原酶，使其能够在更高浓度的砷酸盐环境下生存并发挥作用。这样的微生物可以被用来清理被砷污染的环境。其实，定向进化不仅能帮助我们提高微生物的生产效率，还能让它们在废弃物处理、环境修复等方面发挥更大的作用。随着技术的不断进步，定向进化的应用领域已经远远超出了我们最初的想象。

定向进化的成功与否，离不开强大的筛选系统和实验设计。筛选就是通过一些方法，找出那些表现出理想特性的突变体。筛选方法是定向进化能否顺利进行的关键。如果目标产物的产量很低或者不容易检测，传统的筛选方法就可能行不通。为了解决这个问题，科学家们不断研发新型的筛选技术。比如说，有些研究人员通过利用转录因子筛选法，这种方法不需要直接检测目标产物的浓度，而是通过转录因子和目标产物结合的特性间接反映目标产物的产生情况。这种筛选方法，不仅提高了筛选的效率，还为复杂的代谢途径优化提供了新的思路。

菟丝（Cuscuta chinensis var. carinata (R. Br.) Engelm.），又称黄丝藤、金丝藤，是一种著名的茎寄生植物。它主要依靠吸器从寄主植物中获取营养，而不是通过自身的光合作用。因此，菟丝在自然进化过程中失去了大多数植物所必需的叶片和根，只保留了不能进行光合作用的茎。摄影：Linda（摄于北京圆明园） ©绿会融媒·“海洋与湿地”（图文无关）

从起源到发展：
定向进化的历史

定向进化的起源可以追溯到上世纪60年代，那时候科学家做了个非常有趣的实验，叫“斯皮格尔曼怪物”（Spiegelman's Monster）。在这个实验中，RNA分子被成功“进化”了，这让人们第一次认识到，生物分子是可以通过人为干预来改变的，这也为后来改造分子奠定了理论基础。

后来，科学家把这个思路用到了蛋白质的研究上。他们发现，通过施加特定的“选择压力”，比如创造一些有利的条件，能让细菌进化出更好的基因。就这样，一个原本普通的基因可以在一定条件下被优化，变成性能更强的“升级版”。

到了上世纪80年代，噬菌体展示技术的出现让这项研究更上一层楼。这项技术可以让科学家专门对某个蛋白质下手，通过突变和筛选来增强它的能力，比如让蛋白质的结合能力变得更强。但当时的技术还有局限性，比如在筛选酶的催化活性时还不够给力。直到90年代，针对酶的定向进化方法被开发出来，这才让这项技术真正变得“亲民”，吸引了更多研究者参与进来。

2018年，可以说是定向进化领域的“高光时刻”。美国科学家弗朗西斯·阿诺德（Frances Arnold）因为在酶进化领域的突出贡献，与乔治·史密斯（George Smith）和格雷戈里·温特（Gregory Winter）两位科学家共同荣获诺贝尔化学奖。这三人分别贡献了酶进化和噬菌体展示两大核心技术，这让定向进化成为生命科学的一项里程碑成果，也让人们看到了这项技术的巨大潜力。

2018年诺贝尔化学奖花落上面三位科学家，他们通过巧妙地运用自然选择原理，对蛋白质进行定向进化，从而解决了人类面临的许多问题。这项突破性的研究成果被认为是为酶工程、抗体药物等领域带来了革命性的变革。图源：nobelprize.org

从基因突变到超级酶，
一场“生物选秀”
如何改变世界？

定向进化的核心流程很像一场“选美比赛”——首先，你需要有一群“选手”，也就是通过基因突变生成的基因库；接着，对这些选手进行一轮又一轮的筛选或者比拼，挑出“表现最好”的那些；最后，让这些“优胜者”进入下一轮循环，进一步优化它们的能力。这个过程，可以一直进行下去，直到找到你最理想的“超级明星”。

在定向进化中，基因库的多样性是关键，因为它决定了你有多少选择。但问题是，实验中，基因库规模通常受技术和筛选手段的限制——你不可能无穷无尽地测试所有变种。为了破解这个难题，科学家们一般会“有的放矢”，专注于那些可能跟功能最相关的基因片段。比如，通过研究蛋白质的结构、借助计算机建模，或者查看同类生物的进化历史，来圈定一些“重点嫌疑位点”。如果没有这些线索，也可以采用更简单粗暴的办法——随机突变，全面撒网，总会捕到“鱼”。

除了随机突变，还有一种叫基因重组的技术也很厉害。这种方法就像拼乐高，把来自不同物种的基因片段重新组合，生成一个全新的“杂交选手”。这样的手段不仅能产生意想不到的功能，还特别适合开发自然界中从未见过的全新蛋白质。

挑选的过程，其实有点像淘汰赛。科学家要从成千上万个变种中，找到那些功能最接近目标的。为了提高效率，筛选方法需要平衡精确性和规模。

低通量筛选，类似于“单打独斗”：每次只测一个变种的性能，虽然很准，但速度慢，不适合面对大规模基因库。相反，高通量筛选则更像“团体赛”，通过借助间接信号（比如颜色变化或者发光强度）来判断蛋白质功能，一次能筛选成千上万的变种，速度大大提升。

另外，还有一种叫选择的方法特别高效，它直接通过“以成败论英雄”的机制，让只有目标功能的蛋白质能生存下来。虽然这种方式不如直接筛选那么精准，但它在应对大规模基因库时，绝对是一种高效、又省事的好办法。

定向进化的魅力在于，它把自然界“随意性”的进化方式，和人为“有目标”的挑选机制结合在了一起。这不仅让科学家手里多了一种强大的工具，也为我们设计和改造生物分子、解决实际问题提供了无限可能。

想象一下，未来的定向进化可能会带来什么？或许是治疗罕见病的特效药？或者是让地球更清洁的超级酶？又亦或，用在食品加工里，让吃货们享受到更健康又美味的食物？（比如笔者的老妈就特别想吃到不用挑刺的淡水鱼）……不管怎样，这项技术已经证明了它的潜力，而它的未来一定会带来更多意想不到的惊喜。

草鱼，是中国四大家鱼之一，也是一种常见的淡水鱼。它是老百姓餐桌上常见的淡水鱼类。很好吃，就是挑刺有点儿麻烦，家里老太太对此提出了抗议，希望下次吃没刺的三文鱼鱼片。淡水鱼之所以有刺，是因为它们的骨骼结构特性，而刺其实是细小的骨骼分支。畅想一下未来——通过定向进化，或许可以锁定控制这些骨骼发育的关键基因……通过几轮筛选和改良，或许有可能培育出刺少甚至无刺的鱼类……上图是笔者11月30日晚上做的一条草鱼。摄影：Linda ©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

挑战与局限性

定向进化的应用，如今已经非常广泛，几乎覆盖了生物学的每个角落。

虽然定向进化技术已经在很多领域取得了显著进展，但它仍面临一些挑战、一些无法忽视的局限性。

首先，定向进化需要使用高通量筛选方法来测试大量的随机突变，这就意味着研究人员需要花费大量时间和精力，来开发合适的筛选系统，确保能够有效地检测各种突变的效果。而这些筛选系统通常是针对某个特定的功能设计的，因此一旦某个筛选方法成功，它可能无法直接应用到其他不同的定向进化实验中。

二是，定向进化通过筛选出那些能够改善特定功能的突变体来实现目标。这虽然能有效提升已选功能的表现，但不能保证这些改进能够应用到其他底物或不同的功能上。尤其是在某些情况下，目标活性无法直接通过筛选来测量，研究人员只能依赖一个“替代”底物来间接评估酶的活性。（注：换句话说，这种改进有时候就像是“打一枪换一个地方”，很难保证它能跨越到别的领域，解决更广泛的问题。）在这种情况下，定向进化可能会导致酶更适应替代底物，而没有改善它对真正目标底物的活性。因此，选择合适的筛选条件对于定向进化的成功至关重要。

此外，定向进化的速度也是一个挑战。虽然从理论上来看，某些表型的进化是可行的，但在实际操作中，这一过程可能需要很长时间，而这对于一些实验来说可能是很不现实的。

从进化论的角度来看，鲸鲨这种大海中的“温柔巨兽”是一个非常有趣的物种。作为地球上最大的鱼类，它们的体型和习性都经历了漫长的演化过程，适应了海洋生态环境。它是仅有的三种滤食性鲨鱼之一。与其他攻击性强的鲨鱼不同，鲸鲨无需通过捕食和攻击来生存，它的巨大体型本身就成了最好的保护屏障。鲸鲨通过滤食浮游生物为主，这种进化出的食物获取方式使它们不需要像其他鲨鱼一样展现出攻击性。尽管如此，鲸鲨偶尔也会遭到其他鲨鱼的攻击，可能会在尾巴或鳍部留下咬痕，但这些攻击通常不会致命。鲸鲨的体型在进化中为其提供了巨大的生存优势，帮助它们在海洋中占据了一席之地，同时也避免了过多的捕食压力。上图是卡塔尔海域中的鲸鲨。©摄影：王敏幹（John MK Wong） | 绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

为了提高效率，科学家们正在探索更多的高效方法。如，随着基因组学和合成生物学技术的发展，定向进化的效率有了大幅提升。通过高通量的基因合成和自动化筛选平台，科学家能够在短时间内生成大量的突变体，并迅速筛选出最优秀的突变体。随着这些新技术的应用，定向进化将变得更加高效，也能够处理更加复杂的生物系统。

可以说，定向进化是一项非常强大的技术，它帮助我们在没有完全理解的情况下，通过引入突变和筛选的方法，迅速优化酶类、蛋白质、代谢途径等生物分子的性能。科学家们用这种方法，不仅能够提高生物产品的生产效率，还能创造出新的生物催化剂，甚至开发出对环境污染有修复作用的微生物。随着技术的不断进步，定向进化将会在更多领域发挥作用，推动生物技术向更深、更广的方向发展。

阿德利企鹅（Adele penguins）几乎可以说是为了适应南极严寒环境而进化出来的。它们的羽毛特别密集，不仅能保暖，还能防水，帮助它们在冰冷的水中游得更快。阿德利企鹅几乎没有天敌，只有豹纹海豹和偶尔的虎鲸会捕食它们（另外，企鹅蛋和小企鹅偶尔会被盗贼鸥吃掉）。因此，它们不需要像其他动物那样群体防御，而是可以独自或小范围聚集在一起，安心觅食和休息。它们常常在同一个海滩区域进食和休息，利用这片区域的资源，提高生存率。上图是阿德利企鹅。上面这张图片是1993年王敏幹在南极-2°摄氏度的海洋中游泳之后与企鹅的合影。供图：王敏幹（John MK Wong）

定向进化，对
保护生物多样性
有啥用？

2024年11月28日在《科学》期刊发表的一篇文章《自然选择是否能决定盘状珊瑚在预期气候变化下的存续》里面提到，在帕劳（Palau）的海洋苗圃中，英国纽卡斯尔大学研究人员领导的科研团队对珊瑚种群进行监测，选出对高温环境表现出更强耐受能力的个体。这就是一种定向辅助进化，是一种通过人工干预加速物种进化过程的技术，通常涉及选择性繁育或基因编辑，旨在增强物种在特定环境下的适应能力，如提升珊瑚对高温的耐受力。尽管定向进化目前仍处于实验阶段，但它提供了一种可能的气候智慧型管理策略，为珊瑚礁在快速变暖的海洋环境中提供生存的希望。

参见海湿往期报道：《气候变暖太快，珊瑚追不上！科学家发出紧急呼吁》

定向进化在生物多样性保护中的应用，可能听起来有些陌生，但其实它已经在很多领域发挥着举足轻重的作用。

简单来说，定向进化就像是“巧妙地调皮捣蛋”，通过人类的“巧手”，来加速生物体内的基因突变，改变或改进生物的特性。就像是通过人工操控加速突变，让生物像是有了“隐形的翅膀”，从而更好地适应环境变化。

最初，这项技术主要用于蛋白质和酶的研究，但随着科技的发展，定向进化已经被应用到生物多样性保护、生态恢复和环境修复等方面，给我们的生态环境保护带来了新的希望。

第一，定向进化可以帮助我们应对环境变化、气候变暖、污染等带来的挑战。近年来，随着气候变暖和环境污染的加剧，很多物种的栖息地受到了威胁，原本适应特定环境的生物，面临着生存压力。这时候，定向进化就派上了用场。通过这种技术，研究人员能够加速物种的基因突变，帮助物种适应新的环境。比如，气候变化带来的极端天气让一些植物和动物的栖息地逐渐消失，过去能够生存的环境条件不再适合它们。通过定向进化，我们可以帮助这些物种的基因进行优化，增强它们对新环境的适应能力，提高它们的生存几率。

定向进化不仅仅能帮助动物和植物适应环境，还能帮助微生物在污染环境中生存并发挥作用。我们知道，微生物在自然界中有很多重要功能，比如分解有害物质、清理污染等。尤其是在环境污染严重的地方，微生物的“降解能力”显得尤为重要。但是一些污染物质的浓度过高，现有的微生物往往无法胜任了。而定向进化技术，可以让这些微生物通过基因改造变得更加耐受污染，甚至能在更高浓度的污染物环境中存活下来。举个例子，通过定向进化，科学家们已经研发出一些能够耐受高浓度有害物质（如砷、汞等）的微生物，这些微生物能有效地清除土壤和水体中的有毒物质，帮助解决污染问题。

除了微生物，植物也能通过定向进化变得更加强健，适应不同的环境。我们知道，近年来因为气候变化和人类活动，许多植物面临着干旱、盐碱化、重金属污染等困境。通过定向进化，植物可以增加对盐碱、干旱等恶劣环境的抵抗力，甚至能够在原本不适宜的地区生长。比如，有些通过定向进化的植物，可以适应盐碱地的生长环境，这样它们就能在被盐碱化严重的地区扎根生长，从而有助于恢复这些地区的生态环境。通过这样的技术，不仅能改善植物的生长状况，也能恢复这些地区的生态多样性，帮助其他物种共同生存。

除了帮助物种适应恶劣环境，定向进化还在保护濒危物种方面大有作为。由于栖息地破坏、环境污染等原因，许多物种的数量已经急剧下降，甚至面临灭绝的威胁。特别是在一些基因库较为贫乏的濒危物种中，它们的基因多样性已经降低，面对环境变化时，很难找到合适的适应基因。这时，定向进化可以通过人为设计和筛选，向物种的基因组中引入有益的变异，帮助它们更好地应对环境变化。举个例子，通过定向进化，科学家们可以给一些濒危物种引入能增强它们适应力的基因，使它们在新的环境条件下能够更好地生存。

另外，定向进化还可以帮助生态修复工作。很多生态系统在长期的环境污染、气候变化等因素下发生了变化，导致生态平衡被打破，原本的生态功能丧失。例如，一些微生物在土壤中的重要作用，如固氮、分解有机物等，可能会因为环境变化而失去作用。这时，定向进化就可以帮助微生物恢复或增强这些功能，进而恢复生态系统的稳定性。比如，通过定向进化，研究人员能够让一些微生物变得更加高效，帮助它们在土壤中固氮或分解有机物，从而改善土壤质量，促进植物生长，恢复被破坏的生态环境。

值得一提的是，定向进化的技术还可以与人工智能、大数据等现代技术相结合，进一步提升生态保护的效率。通过大数据分析，我们可以更准确地预测哪些地区的生物多样性面临威胁，定向进化技术则可以帮助我们更快地找到适应环境变化的解决方案。人工智能技术可以帮助我们快速筛选出对物种保护有用的基因，定向进化则可以加速这些基因的筛选和优化，帮助物种更好地适应环境变化。这样，定向进化与现代科技的结合，可以让我们的生态保护工作更加高效、精准。

在阅读文献的时候，“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编还注意到有一篇文章提到：近年来发展出的“连续进化技术”（Continuous Evolution Technology），让这一过程更加自动化和高效。如，科学家可以在细胞内搭建一个循环进化系统，让基因持续自发地突变、表达和筛选，从而实现更快速的优化。

上图：海鬣蜥（Amblyrhynchus cristatus）是加拉帕戈斯群岛特有的冷血爬行动物，也是世界上唯一一种适应海洋生活的蜥蜴。它们以海藻为食，通常在海边岩石上晒太阳来维持体温。海鬣蜥能潜入水中长达30分钟，以锋利的爪子攀附礁石采食藻类。它们具有特殊的盐腺，可以排出体内多余的盐分；它们的爪子变得扁平，便于在岩石上攀爬；它们的尾巴扁平，有助于在水中游泳。1835年9月15日，达尔文的探险队抵达了加拉帕戈斯群岛。达尔文在参观加拉帕戈斯群岛时，对那里的海鬣蜥产生了浓厚的兴趣。这些海鬣蜥独特的形态和行为深深吸引了他，特别是它们能够在海水中自由游泳和潜水，捕食海藻等植物，这与其他陆地爬行动物大相径庭。达尔文注意到，这些海鬣蜥身上的黑色皮肤帮助它们在热带阳光下保温，而它们的爪子和尾巴也非常适应水中生活。观察这些奇特的生物，让他开始思考物种如何根据环境的变化逐渐进化出不同的特征，这为他后来的进化论理论提供了启发。摄影：赵宇（图文无关）

定向进化：伦理问题
科技创新中伦理问题前瞻研究

定向进化这项技术虽然在科学研究和应用上带来了许多进展，但同时也引发了不少伦理上的问题。随着技术的快速发展，越来越多的人开始关注定向进化的潜力和风险，特别是在我们如何使用这项技术方面，产生了不少讨论。科技创新、伦理先行，科技创新中伦理问题前瞻研究是是不可以忽视的。所以接下来，我们就来说说定向进化带来的伦理问题。

首先，“人类是否过度干预自然”的问题，可能是最直接、最常见的伦理争议。简单来说，定向进化通过人工加速物种的演化过程，打破了自然界生物演化的规律。自然界的生物通过长时间的演化，在与环境的适应中慢慢改变，而定向进化则是通过人为干预，在很短的时间内改变生物的基因。有人担心，这种人工进化会破坏生态系统的平衡，甚至可能会引发一些难以预料的后果。就像我们平时说的：“一失足成千古恨”，如果我们过度干预自然，最后很可能会收不到预期的效果，反而带来一些无法挽回的损失。

再说，“基因隐私和滥用”的问题也是不得不提的。定向进化需要修改生物的基因，这就涉及到大量的基因数据和隐私问题。在一些情况下，这项技术甚至可能应用到人类身上，特别是在基因编辑领域，可能出现滥用的风险。如果没有严格的监管，这些技术很可能被用来谋取私利，甚至被某些不法分子用于军事或其他恶意目的。例如，如果有人用定向进化技术去改变人的基因，制造所谓的“超级人类”；这不仅违反道德原则，还可能引发基因歧视和社会不公的现象。大家可以想象，如果基因数据被滥用，未来可能会出现基因“等级”，影响社会的公平和正义。

“物种安全”的问题，同样是定向进化技术中一个严重的伦理挑战。通过定向进化改变某些物种的基因，可能会对生态系统产生意想不到的影响。比如说，我们通过定向进化提高某种农作物的抗病性或产量，虽然短期内看起来好像是有益的；但这些改变的作物如果进入自然环境，会不会改变原有的生态平衡？比如说，如果某些植物可能会过度繁殖，压制其他物种的生长，或者导致生物链的改变，影响到其他物种的生存。那么，这就像是“引狼入室”，看似一时的好处，可能会带来难以承受的后果。

上图：部分病媒蚊虫的标本。摄影：Linda ©绿会融媒·“海洋与湿地”

再者，“社会接受度”和“道德界限”的问题，也是不可忽视的议题。前段时间笔者看到广东释放蚊子的新闻，很火，而且都是正面的报道。但是没有一个报道中提到，这个事情是否经历了伦理审查？是否有风险？笔者是存疑的。至少，媒体报道中应该提到伦理审查的事情。但是现在普遍意识不足，只是报喜不报忧。上次在一次国际基因组学大会上遇到做伦理的同行们，我表达了这样一种观点：其实许多生物多样性传播是可以略做得更好、更完善一些的……

虽然定向进化技术在理论上有很大的潜力，但我们是否可以毫无顾虑地广泛应用这些技术呢？尤其是，当这些技术涉及到人的基因时，人们的道德底线和社会观念往往会出现很大的分歧。比如，如果通过基因编辑技术来“设计”婴儿，或是改变人类身体的某些特征，很多人可能会觉得这是一种对自然法则和人类尊严的冒犯。更不用说，如果这种技术只能富人享受，那可能会加剧社会的不平等。社会各阶层对这些技术的看法不一，如何平衡科学进步和道德底线，如何让这些技术在不损害人类伦理的前提下应用，是一个值得深思的问题。

另外还有一个，就是“生态责任”的问题，这也是我们需要考虑的重要问题。定向进化技术不仅改变某一物种，它的影响可能会波及到整个生态系统。以农业为例，虽然通过基因改良提高了作物的产量和抗性，改善了粮食安全问题，但这些改良可能会影响到土壤的质量、水源的分布，甚至会改变动物和植物之间的食物链。过度开发某些作物，可能会对环境产生不良影响，甚至导致生态系统的紊乱。就像“贪多嚼不烂”，在追求高产的同时，我们是否也考虑到了对自然环境的长远影响呢？

退一万步讲，如果“技术失控”了呢？这个问题也不容忽视。定向进化的技术本身是中立的，但如果被滥用，可能会带来无法预见的后果。比如，在军事或生物武器领域，这项技术可能被用来制造出具有超强适应能力的“生物武器”，其后果可能是灾难性的。因此，如何防止定向进化技术的滥用，确保它不被用于不当用途，是我们必须时刻警惕的问题。说来说去，技术是把双刃剑，如何合理、负责任地使用它，关乎社会的未来和人类的福祉。

上图：雀形目（Passeriformes）是鸟类纲中最大、最多样化的一个目，包括了约一半以上的鸟类物种。燕、雀、莺、鹊、鸦、鸫、鹟、鸲都是本目的成员。雀形目的鸟类被称为雀类或雀形鸟，它们通常具有强健的脚部和爪子，适应于各种栖息地，从森林到草原、湿地、沙漠和城市等各种环境。雀形目鸟类分布于全球各大陆和岛屿，从极地到热带地区都有它们的足迹。这一目的鸟儿，普遍特征如：趾三前一后，均在一个平面上，趾间无蹼，后趾与中趾的长度几相等，后爪一般长于中趾；鸣管发达，鸣声复杂多变；孵卵多由雌鸟担任，雏鸟多为晚成雏，等等。摄影：Linda摄于国家动物博物馆 ©绿会融媒·“海洋与湿地”（图文无关）

如果达尔文穿越过来……
他会怎么看？

换而言之，“定向进化”的核心目标是：通过人为控制，快速实现自然进化在数十万年内才能完成的功能改造。

笔者越写越乐……突然想到，如果达尔文穿越过来，他会怎么看待这个问题？

如果达尔文穿越时空回到现代，看到“定向进化”的手段，笔者估计，他可能会感到又惊讶又好奇。毕竟，他的“进化论”里提到，物种进化是通过自然选择和环境压力慢慢推进的，而现在我们居然能用基因剪刀给物种“整容”，加速进化过程。想象一下，如果他看到人类竟然可以选择“强者”基因，他可能会摇头叹息：“这不是进化，简直是作弊！”不过，他又可能会想：“哇，这玩意儿能做出什么神奇的生物？！”但最终，他估计还是会怀疑，“别忘了，物种的进化可不是随便瞎折腾的。干得过头了，可会把生态搞乱的。”所以，达尔文同志可能会一边好奇，一边担心地奉劝：“后生们啊，别拿进化当游戏，悠着点哇！”

海洋与湿地

OceanWetlands

（注：本文是笔者在撰写《气候变暖太快，珊瑚追不上！科学家发出紧急呼吁》一文之后拓展研究之后的思考和削笔机。文章不代表海湿平台观点。欢迎留言、讨论。）

文 | 王芊佳

编辑 | 绿茵

排版 | 绿叶

【参考资料】

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/#S2

Liam Lachs et al. ,Natural selection could determine whether Acropora corals persist under expected climate change.Science0,eadl6480DOI:10.1126/science.adl6480
https://www.ncl.ac.uk/press/articles/latest/2024/11/coraladaptationglobalwarming/

https://en.wikipedia.org/wiki/Directed_evolution
https://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