有一天，一群著名科学家聚集在一起，他们确信人类已经得到了巨大进步，现在已经不再需要上帝了。因此他们选出了一位科学家作为代表去见上帝，决定要“休”了他。

这位科学家跑到上帝那里，对他说：“上帝，我们人类已经能够自己克隆自己、能做各种各样神奇的事情，现在已经不再需要你，你为什么还不退休啊？”

上帝耐心听了这位使者的话，然后说：“很好，但是，首先让我们来进行一场制作人的比赛吧，怎么样？”

这位科学家回答说：“行啊，好极了！”

但上帝又补充说：“现在就让我们来做，就像我从前与亚当一起制作人那样。”

科学家说：“没问题，没问题，”并弯下腰去自己抓了一把泥土。

上帝看见后，说：“不，不，不，你得去拿你自己的泥土啊！”

3.1  鸟 和 蜜 蜂

生物只有经过许多世代的进化，才能使生存与繁衍的任务获得更大成功。遗传算法也遵循同样的方式，需要经过长时间的成长、演化，最后才能收敛得到针对某类特定问题的一个或多个解。因此，了解一些有关有生命机体如何演化的知识，对理解遗传算法如何工作是有帮助的。本章的开始几页，将扼要阐述自然演化的机制（通常称为“湿”演化算法）以及与之相关的术语。即使读者以前在中学里对生物并不擅长，也无须担心。本章不会涉及过深的细节，但对于理解自然演化的基本机制已经足够。抛开以上不论，当你读完本章或下一章后，我想，你也会和我一样，深深叹服自然母亲的令人着迷！

从本质上说，任何生物机体不过就是一大堆细胞的集合。每个细胞都包含着称作染色体的相同集合的DNA链。染色体中包含的DNA分成为两股，它们以螺旋形状缠绕在一起，这就是人们所熟悉的DNA双螺旋结构，如图3.1所示。

单个的染色体是由称作基因（gene）的更小的结构模块组成，而基因则又由称作核苷酸（nucleotide）的物质组成。核苷酸一共只有4种类型，即腺嘌呤（thymine）、鸟嘌呤（adenine）、胞嘧啶（cytocine）、胸腺嘧啶（guanine）。它们常简写为T、A、C、G。这些核苷酸相互连接起来，形成若干很长的基因链，而每个基因编码了生物机体的某种特征，如头发的颜色，耳朵的样子等。一个基因可能具有的不同设置（如头发的棕色、黑色或金黄色），称为等位基因（allele），它们沿染色体纵向所处的物理部位称为基因座位（locus）。

重要注释：等位基因不一定就限于物理形状特性的设置，某些等位基因将用来产生不同的行为模式，例如鸟类或大马哈鱼的本能性的回归行为，母亲具有抚育其新生一代的   天性。

一个细胞中的染色体组（collection）包含了复制该机体所需的全部信息。这就是克隆怎样实行的秘密。你可以从被克隆施主（donor）身上，哪怕是一个血细胞中包含的信息，复制出整个生物机体，例如一只羊。新的羊将会在每一个方面和施主羊完全相同。染色体的这一集合就称为生物机体的基因组（genome）。在一特殊基因组中等位基因的一种状态称为该机体的遗传类型（genotype）。这些就是用来生成实际的生物机体（表现型，phentype 本身的硬编码指令）。人都是表现型。人类DNA携带了人类自身的遗传类型。如将这些术语用到其他领域中，则设计汽车用的成套蓝图就是一个遗传类型；在生产线上隆隆作响的成品汽车就是一个表现型；只有设计被定型以前的，那些完全陈旧的设计，才勉强称得上是一个基因组。

现在开始讨论，怎样把所有这些应用到进化中去。对于千千万万的动物和植物——小到只有在显微镜下才能看到的单细胞生物，大到从空间卫星上也能见到的巨大珊瑚礁——地球是它们共同的家，不论它们的大小怎样、形状或颜色又怎样。一个生物机体被认为取得了成功，如果它得到了配偶并生下了一个子机体，而后者完全有希望来继续进一步复制自己。为了做到这一点，生物机体必须擅长许多工作。例如，能寻找食物和水，能面对掠食者来保卫自己、能使自己吸引潜在的配偶等。所有这些特长在某种程度上都和生物机体的遗传类型——生命的蓝图有关。生物机体的某些基因将会产生有助于它走向成功的属性，而另一些基因则可能要妨碍它取得成功。一个生物的成功的量度就是它的适应性环境。生物机体愈能适应环境，它的子孙后代也就愈多。

当两个生物机体配对和复制时，它们的染色体相互混合，产生一个由双方基因组成的全新的染色体组。这一过程就叫重组（recombination）或杂交（crossover）。这样就意味着后代继承的大部分可能是上一代的优良基因，也可能继承了它们的不良基因。如果是前一种情况，后代就可能变得比它的父母更能成功（例如，它对掠食者有更强的自卫机制）；如为后一种情况，后代甚至就有可能不能再复制自己。这里要着重注意的是，愈能适应环境的子孙后代就愈有可能继续复制并将其基因传给下一个子孙后代。由此就会显示一种趋向，每一代总是比其父母一代生存和匹配得更完美。这里举一个简单的例子，假设雌性动物仅仅青睐大眼睛的雄性。这样，在追求雌性配偶的雄性中，眼睛的尺寸愈大，其获得成功的可能性也愈大。可以说动物的适应性正比于它的眼睛的直径。因此就会看出从一个具有不同大小眼睛的雄性群体出发，当动物进化时，在同位基因中，能产生大眼睛雄性动物的基因，相对于产生小眼睛雄性动物的基因，就更有可能被复制到下一代。由此可以推出，当进化几代之后，大眼睛将会在雄性群体占据统治地位。这样就可以说生物正在向一种特殊的遗传类型收敛。

但是，有些读者可能已经意识到，如果这是繁殖期间惟一进行的事情，那么，即使经历成千上万代后，适应能力最强的成员的眼睛尺寸也只能像初始群体中的最大眼睛一样。而根据对自然的观察中可以看到，人类的眼睛尺寸实际存在一代比一代大的趋势。之所以会发生这种情况，是因为当基因传递给子孙后代的过程中，会有很小的概率发生差错，从而使基因得到微小的改变。这多少有点像中国古老的耳语传话游戏：在一队人中，把一条消息一个个地传递下去；第一个人对着第二人的耳朵低声讲一个故事，第二个人再低声地把此故事传向第三个人，等等，直到最后那个人再把听到的故事讲出来。通常这都会弄出很多笑话，最后一个人讲出来的故事已经与原来的面目全非。这种类型的差错在把信息从一个系统传给其下一系统时实际都会发生。图3.2显示的一列图画是一个令人惊讶的例子。这是一次测试的结果，第一个人画出了一只鸟的图（见左上角）交给第二人，第二人看了以后重复画一个给他的下一个人，这样下去直到最后画出来的就会显现出“异化”。

有趣的事实：古代的硬币容易产生这种类型的信息丢失差错。早期厄尔利凯尔特人和条顿人所使用的硬币大量地被假冒，在开始能找到一位皇帝头像的硬币（那时已经在许多城市和乡镇用于支付）后来则变成一匹马或一碗果子的形状了。

图3.2  信息移转的一个试验（Thames和Hudson提供的幻想图形）

可以认为图形或故事的细节在从一个人到另一个人的传递过程中，已经发生了变异（或突变，mutation），同样的变异在生物的繁衍过程中会在它们的基因中出现。发生变异的概率通常都很小，但在经历大量的世代之后变异就会很明显。一些变异或突变对生物将是不利的（这有最大的可能），另一些则对生物的适应性可能没有任何影响，但也有一些则可能会给生物带来一些明显的利益，使它能超过与其同类的生物。在前面讲的例子中，能使动物引起眼睛直径变大的基因突变就是一种有利的突变，它将使该动物与群体其余动物相比显得更加突出。这种趋势需要基因参与，才能使眼睛变得越来越大。当进化过程经历成千上万代之后，可以想像动物会长出一对和盛小菜用的盘子那样大的眼睛，如图3.3所示。

图3.3  一个Adonis的进化

进化机制除了能改进已有的特征外，也能产生完全新的特征。这里再以眼睛的进化作为一个例子。可以设想，曾有一个时期动物就根本没有眼睛。那时，动物在它们的环境中航行完全是靠嗅觉和触觉来躲避掠食它们的动物。它们也相当擅长于这样做，因为它们靠这样已经经历了成千上万个世代。在那个时候，大鼻子和长手脚的雄性是受雌性的欢迎的。然而有一天，当两个动物配对时，一个基因突变发生在为皮肤细胞提供的蓝图上。这一突变使其后代在它们的头上发育出了一个具有相当光敏效应的细胞，使其后代能识别周围环境是亮的还是暗的。这样就给它带来了一个微小的优点，因为，如果一种食肉动物，比如一只鹰，来到了某个范围以内，则它将阻挡光线，这时，该动物就会感觉到，就可迅速跑到隐蔽的地方躲藏起来。另外，这种皮肤细胞还能告诉它现在是晚上或白天，或告诉它现在是在地面上或地面下，这些在捕食和吸取营养时都能为它提供方便。这一新型皮肤细胞将使这一动物与群体中其余的动物相比，具备了稍多的优点，并因此也就有更多的生存和繁殖的机会。过了一段时间，由于进化机制的作用，许多动物的染色体中都会出现具有光敏皮肤细胞的基因。

如果再作一些外推，想象这一光敏细胞基因得到了进一步的有利突变，经过了许多世代后，光敏细胞分化形成为一个区域，这个区域不断变大，产生出一些更确定的特征，例如形成一个晶体，或产生能区别颜色的视网膜细胞；还可想象一个突变使某个动物产生了两个，而不是一个光敏区域，从而就使该动物有了立体视觉。立体视觉对一个生物体来说是一个巨大的进步，因为这能精确告诉它目标离它有多远。当然，对眼睛产生不利影响的突变也可以传入那些同样的基因，但这里重要的一点是，这样生长出来的后代将不会和已具备改进眼睛的堂表亲那样取得成功，它们最终将会灭绝。只有成功的基因才会得到继承。观察自然界中存在的任何特征就能发现，它们的进化都是利用无数微小的变异发展而来的，且它们都是对拥有者有利。难以置信吧？这些重组和变异机制说明了进化怎么完成。我希望现在你已经理解，有机体是怎么逐步形成各种不同类型的特征，以帮助它们在其生存环境中取得更大的成功。