发明一种新功能需要多少次突变？

细胞通过突变演化出新功能，但演化必须搜索的空间大得令人咋舌。一个由1000个DNA字母组成的典型细菌基因，大约有10⁶⁰⁰种不同的写法，而每一个版本与另外3000个版本都只差一次突变。然而，实验往往在寥寥几次突变之内就找到了新功能：9次突变改变了一种酶的产物，5次突变让另一种酶对一种抗生素的耐受性提高了10万倍。巨大的可能性空间究竟会让演化变慢（因为正确的改变很难找到），还是变快（因为有更多的路径通向某处）？

会演化的线路

布兰迪斯大学的尼达·法尔辛（Nida Farheen）和亚内·孔德夫（Jané Kondev），与扎卡里·博罗达（Zachary Boroda）和伊森·莱维恩（Ethan Levien）一起，用一个一切都可以计数的模型来研究这个问题。他们的“生物”是一些小线路：两个输入、N个与非（NAND）逻辑门（每个门只有在两个输入都为1时才输出0，其他情况都输出1）和一个输出。连线方式就是基因型。线路对两个输入所计算的逻辑函数就是表型——可能的表型只有16种。

适应度很简单：在四种可能的输入组合中，线路给出目标答案的组合所占的比例，因此只能是0、0.25、0.5、0.75或1。一次突变随机地改接一条连线，逻辑门的数量保持不变；会形成回路的改接不被允许。一个突变体能否在一个10000个个体的种群中占据主导，遵循群体遗传学的一个标准公式：它有利于改进，而只让中性变化偶尔扩散开来。

增大N，可能线路构成的空间大致按N的N次方扩大，而且每个线路在一次突变之内的邻居数量达到N²的量级。作者指出，如果16种函数均匀分布，那么无论规模多大，大约16次突变总是够用的。

每个逻辑门大约10次突变

他们从一个计算“与非”的线路出发——每个逻辑门都连接到两个输入，输出连接到第1个逻辑门——让它朝着与之完全相反的“与”演化。对于从5到1000个逻辑门的各种规模，他们各进行了500次模拟。

所需的突变数几乎与线路规模成正比地增长，大致遵循9.8 × N^0.96：每个逻辑门大约10次。按均匀分布估计的16次与此相去甚远。这些突变几乎全都是中性的（不改变适应度），从未扩散开来。由于适应度以四分之一为台阶攀升，所需的改进最多只有四次；其余时间里，演化都在等待。

起作用的连线

为什么会这样？作者特别指出了计算连线：位于从输入到输出的路径上的那些连线。改接其他任何连线都无法改变输出。在这些线路中，无论规模多大，只有大约三条连线参与计算，而连线总数是2N + 1。因此，碰到一条重要连线的概率按1/N下降。一旦碰到一条计算连线，这一改变带来帮助的概率就与规模无关。综合起来，需要大约N量级的尝试，才能得到一次有用的突变。

如果把所有线路看作一张地图，每个线路大约有N²个邻居，但其中只有大约N个邻居与它的差别在于一条计算连线的改变。

改变起点，就改变规律

这一解释带来了一个预测。如果改从一个每条连线都参与计算的线路出发，碰到重要连线的概率就不再随规模缩小。这样一来，突变数应当停止增长。模拟结果与此相符：大约为31 × N^0.07，几乎是平的。而从最初的“与非”线路出发，即使种群小得多、只有10个个体（此时中性变化更常扩散），增长仍然接近线性。

在时间上还有一个转折。更大的线路有更多连线，因此积累突变更快。如果突变数与N成正比地增长，那么演化出“与”所需的时间对所有规模都相同；如果不成正比，更大的线路就会更快到达目标。

单凭规模说明不了的事

作者的结论是，可能突变的数量本身并不决定演化出新东西有多难。重要的是能够提高适应度的突变所占的比例——即那些触及负责计算的部分的突变，以及其中真正带来帮助的那些。他们清楚地说明了局限：他们的线路只有五个适应度等级和16种可能的函数，结果取决于起始线路，而这一结论能在多大程度上推广到真实的基因组仍是一个悬而未决的问题。“需要多少次突变？”这个问题的答案，也许与其说在于基因组有多大，不如说在于其中有多少部分在发挥作用。