吳平華

(華中科技大學附屬中學 武漢 430000)

生物進化作為事實，已經(jīng)被古生物學、比較解剖學、胚胎學等生物分支學科所證實，但由于生物進化時間極其漫長，人們很難直接觀察、記錄自然界中生物進化的機理和過程，故只能通過觀察進化的現(xiàn)象和結果加以推測。

那么，能否在實驗室里設計出科學的進化實驗來揭示進化機理呢？1988年，美國密歇根州立大學的進化生物學家理查德·倫斯基(Richard Lenski)以大腸桿菌為實驗材料，設計了一個在實驗室里長久運行的進化實驗[1]。

1 實驗簡介

1.1 實驗選材 倫斯基以大腸桿菌為實驗對象，原因是大腸桿菌的繁殖周期短，可以極大地節(jié)省整個實驗的時間。大腸桿菌在營養(yǎng)充足、培養(yǎng)條件適宜、無天敵的理想條件下，約20min繁殖一代。在倫斯基設定的實驗條件下，大腸桿菌每天繁殖約6.6代。自1988年實驗啟動至今，其大腸桿菌已經(jīng)繁殖了6萬多代。若以一年繁殖一代的生物為研究對象，則需要6萬多年才能繁殖這么多次，如果是人類則需要一百多萬年的漫長歲月。

1.2 大腸桿菌培養(yǎng)基 倫斯基根據(jù)實驗的需要，對細菌普通培養(yǎng)基的成分進行了調整： ①以微量葡萄糖作為大腸桿菌的能源物質。葡萄糖的濃度為25mg/L,僅為細菌普通培養(yǎng)基中葡萄糖含量的1%，目的是觀察大腸桿菌會進化出怎樣的高效代謝葡萄糖的能力。②培養(yǎng)基中額外添加了大量的檸檬酸鹽，其含量達到葡萄糖濃度的十多倍。加入檸檬酸鹽的目的是為了方便監(jiān)測大腸桿菌在培養(yǎng)過程中是否被雜菌污染。因為在有氧條件下，大腸桿菌不能代謝檸檬酸鹽。若有雜菌污染，檸檬酸鹽會被分解，從而被觀測到。

1.3 實驗過程 倫斯基將單個大腸桿菌加以繁殖，然后接種于12瓶培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，從而形成12個遺傳基因完全相同的菌株。這12個瓶子對這些大腸桿菌來說，相當于12個完全彼此獨立的世界。大腸桿菌利用瓶中的資源進行生長、繁殖。隨著瓶中葡萄糖的逐漸消耗，大腸桿菌的生長、繁殖便逐漸減慢以至停止，24h后大腸桿菌的種群密度基本趨于一個穩(wěn)定的常數(shù)值。此后的每一天，12個菌株每天每瓶被取出1%，分別接種至12瓶新的、相同的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。每隔75d，大腸桿菌繁殖約500代，菌株樣本便被冷凍保存起來。這樣就創(chuàng)建了一個完備的人工“化石記錄”，使研究者能夠追溯或重演大腸桿菌的進化歷程。

實驗持續(xù)進行至今，積累的冷藏樣本已經(jīng)超過4000瓶。這些樣本包括實驗開始時的菌株以及最近的菌株。

2 實驗成果

到目前為止，倫斯基團隊已經(jīng)發(fā)表論文50多篇。其成果主要有：

2.1 讓人們見證了細菌新品種的誕生 大腸桿菌在繁殖約3.15萬代時，12個菌株中的一個菌株進化出了以檸檬酸鹽為食的超能力，這種突變的意義巨大。人們更感興趣的是，食檸檬酸鹽“超能力”的進化機理是什么？

倫斯基團隊用冷藏的樣本重演了進化歷程。結果顯示大腸桿菌在2萬代或更早時開始產(chǎn)生變異。變異再經(jīng)過1.15萬代的積累,最終才進化出食檸檬酸鹽的“超能力”。

隨著基因測序技術的進步，倫斯基及時將基因測序手段引入到實驗中。目前，倫斯基團隊測定了來自12個菌株的264個完整的基因組DNA序列，通過對比分析，終于揭示了食檸檬酸鹽的進化機理[2]： 在原始菌株的基因組中，檸檬酸鹽轉運子基因(citratefermentation，簡稱citT)與相關基因citG、ma、mk呈線性排列(圖1)。

在有氧條件下citT不表達。而突變菌株的基因組中有一段2933bp的DNA片段出現(xiàn)了重復，使citG、citT、ma和部分的mk發(fā)生了倍增(圖2)。尤其關鍵的是：mk插在citT之前的同時，mk的啟動子取代了citT的啟動子，使citT由沉默狀態(tài)變成可表達狀態(tài)，而citT的表達產(chǎn)物就是運輸檸檬酸鹽的載體蛋白質——檸檬酸鹽轉運子，其功能是將檸檬酸鹽運輸?shù)郊毎麅取Ｖ蟮淖儺愡M一步增強了該轉運子的運輸效率，最終食檸檬酸鹽的菌株便出現(xiàn)了。

2.2 證實生物的進化永遠不會停滯 起初，科學家推測，只要環(huán)境因素保持穩(wěn)定不變，生物就能形成一個適應狀態(tài)，當達到適應的頂峰后，生物的進化就會停止。倫斯基團隊對12個菌株的適應性都進行了檢測。檢測涵蓋了整個進化歷程的所有時間點。結果發(fā)現(xiàn)在繁殖約1萬代時，大腸桿菌似乎達到了適應的頂峰。然而經(jīng)過多達5萬代的增殖，雖然大腸桿菌進化的速度有所減緩，但并未如人們預期的那樣停滯下來。這說明即使在一個穩(wěn)定不變的環(huán)境中，生物的進化也永遠不會停滯。

2.3 證實古爾德的生物進化觀點是正確的 史蒂芬·古爾德(Stephen Jay Gould)是美國著名的古生物學家、科普作家。他在研究軟體動物進化時提出了進化是不可復制的理論： 如果再給一次進化的機會，生物的進化會朝另外的方向進行。當時，多數(shù)學者認為他的觀點是錯誤的。而倫斯基一直都對該理論持有很高的興趣。倫斯基的進化實驗顯示，12個菌株的進化具有共同的趨勢： 都進化出了更大的細胞、更快的生長速度和較低的種群密度峰值。這似乎說明進化是可復制的，但其實這是相同的環(huán)境條件導致趨同進化的結果。

例如，魚類、鯨類適應水生環(huán)境，雖然都進化形成了相同的體型、鰭、尾等，但它們的進化歷程肯定是不同的。倫斯基檢測了12個菌株的多達1.4萬個基因突變，結果顯示： 每個菌株的變異頻率都不相同，每個菌株的變異方式也不相同。例如，其中只有一個菌株產(chǎn)生了在有氧條件下代謝檸檬酸鹽的超能力變異,而其他11個菌株則沒有出現(xiàn)此種能力。

這足以證明古爾德的理論是正確性的，進化的確是不可復制的。

3 實驗爭鳴

倫斯基的進化實驗引發(fā)的爭議主要有以下兩個方面。

3.1 進化是注定的還是偶然的 12個菌株的初始基因是相同的。經(jīng)歷長期的進化，最終只有1個菌株進化出代謝檸檬酸鹽的超能力，說明各個菌株進化的歷程是不相同的。即進化是偶然的而非注定的。

倫斯基選取有氧代謝檸檬酸鹽菌株的祖先進行進化史的重演實驗，結果為： 0～15000代祖先無一例成功，20000～30000代祖先有4例成功，30500～32500代祖先有13例成功。

結果表明，越是遙遠的祖先，進化成功的可能性越低，而越是年輕的祖先，進化成功的可能性越高。這說明進化出有氧代謝檸檬酸鹽的能力并非是一個單純的、幸運的突變，而是需要一定的變異累積。故進化也不完全是偶然的。

3.2 大腸桿菌的進化模式是否適用于其他物種的生物 有學者懷疑別的物種也有與大腸桿菌相似的進化模式。已經(jīng)有研究者以酵母菌等進行了類似的進化實驗，但由于其工作量較倫斯基低好幾個數(shù)量級，故無法提供足夠的實驗數(shù)據(jù)對這種懷疑予以證實。

4 實驗啟示

倫斯基的實驗自1988年啟動，一直默默無聞地持續(xù)進行著，近30年的不懈努力，研究終于有所突破。倫斯基的進化實驗啟示我們： 只有拋棄急功近利的短視思維，努力地工作、默默地求索，才有可能在科研上取得些許進步和成果。