为什么生物演化不可逆？

空白派

是经验总结还是可以严格证明的，比如从基因DNA角度？比如鲸鱼重回海洋，为什么不能返回到鱼鳍而是四肢变形？

原文地址：https://www.zhihu.com/question/546145064

卡卡

可遗传的性状得要记录到DNA序列上。而DNA想突变回去，相当于随机状态空间自发变到一个指定的状态，概率极低。

长长的路

当然是可逆的
只是可逆的方式可能不一样
植物遗传学上经典的研究基因功能的方式就是利用可逆突变。遗传学上称之为"回复突变"。
比如，下图中，通过人工诱变促进基因突变，从野生型（wt)中得到bri1-9这个突变体，缺失了bri1这个基因，与野生型相比形态特征发生了巨大变化。为了让它恢复，一种方式是把缺失bri1这个基因重新转到bri1-9突变体中，另外一种方法就是再次进行人工诱变，在后代中寻找跟wt差不多的植株，下图中ebs1-1bri1-9这个植株，同时缺失了ebs1和bri1基因，但形态上很接近wt野生型。
这就像本来长颈鹿脖子很长，但通过人工诱变海量胚胎，在后代中找到一个脖子短的个体。


这种工作量巨大的促进诱变的方式，可以认为是模拟自然界发生的基因突变，但速率和概率增加了不止成千上万倍。
上图中使用的植物是拟南芥，包含大学25000个左右的基因，使用的诱变剂EMS能随机在基因组中造成几个碱基的突变。一次诱变实验，至少准备25000颗种子，以在理论上包含25000个基因（实际可能两倍以上的种子数），诱变以后得到至少约25000颗植物（M1代），每株植物又会产生约1000粒种子。在至少25000×1000（M2代）个体种，有可能找到几个形态和野生型相似的个体。
换成长颈鹿，如果每个长颈鹿能生产1000个后代（长劲鹿基因数大20000），那么也需要化学诱变至少20000个胚胎产生M1代，然后在20000×1000个（M2代）个体中，可能会找到一个脖子短的长颈鹿。可能性是存在的，但无疑稿费巨大。而如果按照正常生育能力，正常突变率，在时间尺度上累积突变，以期找到短脖子长劲鹿，理想状态下，可能得几百几千万年吧？
如果是人工诱变。动物里面，也就果蝇和线虫这种，还有些机会。
当然，自然随机诱变，可能很快地就在某个后代中出现短脖子长颈鹿啊。就像某些返祖现象（atavism）。
总体来说，基因层面，生物演化并非不可逆。但由于环境变化，或者太阳黑子活动等各种因素会导致可逆的概率变得微乎其微。



人类返祖现象。想象图



人类返祖现象_可能无p图

检验医师

供参考：

严格的讲，我们只能说鲸鱼“没有”进化出鳃，不能说鲸鱼“无法”进化出鳃。就好比说中国人没有发明电脑，但你要说中国人无法发明电脑那八成是不妥的。
而就像问为什么中国人没有发明电脑一样，问鲸鱼为什么没有进化出鳃也有许多可能性：比如单纯的出于历史因素鲸鱼的祖先从来没有产生过这样的变异；比如可能对于鲸鱼而言肺的效率比鳃更高；比如鲸鱼祖先的鳃骨需要担负其他重要的生理功能（比如听觉），等等。

顺带一提，所谓生物进化不可逆，指的是在相对大的时间尺度上进化史不可能原路返回祖先状态。因为基因变异随即不可控，环境变化随机不可控，所以虽然从数字意义上讲仍然存在这样的可能性，但我们可以忽略这样微乎其微的近乎抬杠式的概率下结论说进化不可逆。

为何鲸鱼没有重新进化出鰓？

大力水手

不是那样。
“生物演化不可逆”“已经退化的生物特征不能再次演化出来”之类不准确说法，是对“多洛定律/Dollo's law of irreversibility”的常见误解。该定律是比利时古生物学家路易斯·多洛在 1893 年提出的，本来是说：

• 在概率上，物种不可能两次遵循完全相同的进化轨迹。
  
• 在不同物种的生物身上出现的完全相同的复杂器官，在概率上不可能是各自独立演化的产物，而一定是同源器官。
  

例如，鸟的翅膀是由祖先身上有爪的前肢演化而成，鸟要是有一天又长出了有爪的前肢，应该是用翅膀演化出来的或是用和翅膀相关的基因指导的，而不是凭空捏出一组新爪子来；鲸的前肢是由祖先的肉鳍演化而成，鲸要是有一天又长出了肉鳍，应该是用前肢演化出来的以下略。
看起来，提问者提到鲸和鱼鳍的时候，想的是辐鳍鱼或软骨鱼那样的鳍。鲸是肉鳍鱼，要另外长出那种鳍需要大量演化创新、用到共同祖先身上相应部位涉及的一些基因，而鲸的前肢变形为更像肉鳍的形态就容易很多。



最左是泥盆纪晚期的肉鳍鱼“提塔利克鱼”的肉鳍的骨骼。Getting a Leg Up on Land. Jennifer A. Clack; December 2005.



Illustration: Fredrik Johansson



whalingmuseum.org, learn/research-topics/whale-science/biology/comparative-anatomy/

在十九世纪末的一般读者看来，学术界普遍不说人话，本来十分简单的“多洛定律”在反复传播中被误解为“进化是不可逆的，生物退化掉的结构和器官不能在任何过程中以同样的形式出现”——这个理解是完全错误的，反例众多。

• 读者是人类的话，灵长类的颈部肌肉、胸肌区和上肢肌肉就是这玩意的反例[1]，你就是战胜了“演化不可逆法则”的可怕物种——实际上根本没有这种法则。
  
• 蛙类在距今约 2.3 亿年前退化了下颌骨的牙齿，但 Gastrotheca guentheri 在时隔 2.1 亿年后又在下颌骨上长出了非常类似牙齿的构造，有珐琅质和象牙质[2]。
  
• 竹节虫的一些种类一度放弃了翅膀，后来又长出了翅膀[3]。
  
• 在漫长的时间里，许多腹足纲动物的壳从复杂的螺旋卷曲逐渐简化，直到在一些目里成为单纯的片状。从一亿年前到两千万年前，舟螺都是简单的片状壳，但是那之后一些舟螺从这个状态搞出了新的卷曲状壳。
  

“已灭绝的物种不可能重新出现”这样看起来非常安全的推论其实都是有反例的：
该物种的祖先物种还生存的场合，可以再创造出和该物种极度相似乃至基因上视为同一物种的新物种，在人类操作下特别容易（因为许多物种其实是能够自交或无性繁殖的种间杂种，人类可以反复进行一样的操作来让它们在灭绝后重生），在自然界例如不会飞的白喉秧鸡的自然复活[4]：

• 40 万年前，从马达加斯加飞到阿尔达布拉岛的白喉秧鸡演化出一些适应当地环境的特征，包括失去飞行能力，成为新物种。13.6 万年前，该物种随阿尔达布拉岛被大海淹没而灭绝。10 万年前，该岛浮出水面，从其它岛屿飞来的白喉秧鸡很快适应了该环境，并再次演化出不会飞的白喉秧鸡，其骨骼形态变得和出土化石十分相似。
  

究其原因，你或自然界的其他部分都可能搞出“足够相近的进化轨迹”，具体到特定性状，对进化轨迹的要求就更低了。“完全相同”并非必要。

大力水手

概率上太低。
简单的数学问题，一个基因突变的概率很低，突变之后回复突变的概率更低，两个概率乘起来是个非常低的概率。
然后要发生一个大众认知的可逆，需要发生无数次回复突变，这样的概率基本上是无穷小的