在我們的認知里，“進化”這兩個字似乎帶著一種天然的方向感，生物會越來越復雜、越來越高效，也越來越先進。但如果有一種生物，悄悄打破了這個常識，逆著時間的河流走回了原點——你是否會重新思考進化的意義？

在南美洲以西的太平洋上，有一串孤立又神秘的島嶼——加拉帕戈斯。這片曾啟發達爾文寫下《物種起源》的地方，如今再次吸引了進化生物學家的目光。主角不是某種奇特的海鬣蜥，也不是會跳舞的鰹鳥，而是一種其貌不揚的野生番茄。

加拉帕戈斯的返祖番茄示意圖（圖片來源：作者使用AI生成）

這些番茄，似乎正在返祖，它們重新合成起幾百萬年前有毒的生物堿分子。而更令人震驚的是，它們僅僅用了四個氨基酸的改動。這不是某種偶然突變的巧合，而是科學家實打實在基因、酶活性、代謝產物和地理分布中捕捉到的一個罕見生物學事件——逆向進化。

進化到底是不是單行道？生物是否可能在環境變化中走回頭路？

番茄的“返祖”毒素，是怎么來的？

在植物的世界里，番茄家族本就是出了名的化學戰高手。它們會制造一類叫類固醇生物堿（SGAs）的苦味分子，并帶有一定毒性，能有效驅趕昆蟲、病菌和吃草動物。你吃過的番茄雖然沒讓你中毒，但它體內的α-番茄堿其實也屬于SGAs——只是含量很低，不足以對人類造成傷害。

通常，現代栽培番茄（Solanum lycopersicum）合成的是一種名為25S α-番茄堿的分子，毒性溫和且穩定，而它的遠親，比如茄子、苦茄等野生種，則合成結構不同的25R 生物堿，在毒性與防御性方面可能更強。這種差別來自于分子結構中一個小小的位置變化，第25個碳原子（C25）的手性配置不同。

茄屬中最常見的生物堿脫糖苷元的化學結構圖紫色（25R）、紅色（25S）（圖片來源：參考文獻[1]）

別小看這個細節。在化學世界里，手性（chirality）就像人的左右手——長得很像，但不能互換。同樣的原子、同樣的排列，如果鏡像結構不同，生物體感知和響應的方式就完全變了。兩個手性異構體，一個可能是防身武器，另一個可能就沒有任何作用。

決定SGA這種手性結構的，是一個叫GAME8的關鍵酶。它是番茄體內一條精密代謝路徑上的關鍵加工裝置，負責在合成生物堿時，對膽固醇衍生物等前體分子進行精準加工。而在加拉帕戈斯群島的野生番茄 Solanum cheesmaniae 中，科學家發現了一件令人驚訝的事，這種酶的部分版本，竟然不再只合成25S型現代微毒素，而是恢復了遠古版本的25R型毒素。

GAME8蛋白結構圖橙色(現代番茄)、藍色（茄子）（圖片來源：參考文獻[1]）

更不可思議的是，造成這種變化的，只是GAME8蛋白結構中四個氨基酸的微小改動。科學家利用基因工程手段，將這些突變酶分別導入煙草、番茄等模式植物中，結果發現，只需這四個點突變，就足以改變整條生物堿的手性構型路線，讓植物合成出完全不同類型的毒素。

這真的算“逆向進化”嗎？

這顆返祖的番茄，讓科學家們陷入了一個非常有意思的問題，進化到底是不是只能往前走？

很多人以為，進化就是不斷升級打怪，從低級到高級，從原始到復雜。但在真正的生物世界里，進化其實并不講“先進”或“落后”，它只有一個標準——是否適應環境。如果環境變了，原本被淘汰的舊技能也可能重新派上用場。

這種現象，科學上稱作“逆向進化（reverse evolution）”。意思是，某些已經在漫長進化中消失或弱化的特征，在新的選擇壓力下又重新出現。比如，有些蛇類重新長出了后肢的骨架，有些魚類失去了視力后又在黑暗洞穴中恢復了某種感光能力。而這次，加拉帕戈斯番茄恢復的，則是幾百萬年前的一種化學防御系統。

那這次番茄的逆向進化，算是偶然事件，還是有跡可循的演化趨勢？科學家并沒有止步于觀察現象，而是進一步用科學方法來驗證它的方向性。

他們利用現存番茄和茄科親緣植物的DNA序列，搭建了一個進化圖譜，并通過計算機建模和實驗復原，推測出祖先的關鍵酶結構。然后，他們合成了這些祖先酶，并在植物中重建其功能，發現果然只能合成25R型毒素。

這意味著，25R是祖先版本，而現代番茄合成的25S才是后來的升級產品。換句話說，S. cheesmaniae 番茄真的就是從現在繞了個圈，回到了過去。

而且，這并不是隨機發生的孤例。研究團隊發現，西部島嶼上的番茄個體，更傾向于返祖合成25R型毒素；而地質更古老、生態更穩定的東部島嶼上，番茄則仍保留25S型。這種地理上的趨勢，恰好與毒素種類的時間線對得上，進一步佐證了這個逆向過程是由自然選擇而非純粹偶然推動的。

本研究所用野生番茄材料來源的南美洲西北部地圖（圖片來源：參考文獻[1]）

科學家甚至大膽推測，環境壓力或許就是促使番茄走回頭路的關鍵力量。在資源匱乏、病蟲害更劇烈的西部火山島嶼，祖先25R型毒素可能更能幫助植物生存。

總結

番茄的“逆行”，也許并不是偶然的返祖。在變化莫測的自然環境中，走回曾經的路徑，可能正是適應未來的方式。這項研究不僅刷新了我們對進化方向的理解，也為農業、生物工程、合成生物學提供了新的啟發，也許，我們能從忽視的基因中找到解決現代難題的鑰匙。進化，不總是向前的征途，有時候，它是一條回環曲折的小徑。

參考文獻：

[1] Jozwiak, Adam, et al. "Enzymatic twists evolved stereo-divergent alkaloids in the Solanaceae family." Nature Communications 16.1 (2025): 5341..

[2] Iijima, Yoko, et al. "Steroidal glycoalkaloid profiling and structures of glycoalkaloids in wild tomato fruit." Phytochemistry 95 (2013): 145-157.

[3] Itkin, Maxim, et al. "Biosynthesis of antinutritional alkaloids in solanaceous crops is mediated by clustered genes." Science 341.6142 (2013): 175-179.

[4] Zhao, Xuecheng, et al. "The SlDOG1 affect biosynthesis of steroidal glycoalkaloids by regulating GAME expression in tomato." International Journal of Molecular Sciences 24.4 (2023): 3360.

作者丨Denovo科普團隊（楊超 博士、中國科普作家協會會員、廣東省青年科技創新研究會會員）

審核丨趙寶鋒博士 遼寧生命科學學會

來源: 科普中國創作培育計劃

內容資源由項目單位提供