进化史上最重要的实验之一目前正在密歇根州立大学的一个实验室中进行。一打装满埃博拉大肠杆菌的烧瓶在缓慢摇晃的桌子上晃动。这些烧瓶中的细菌自1988年以来一直在进化——已经经历了44,000多代。由于它们在这段时间内得到了非常仔细的观察，它们揭示了一些关于进化如何运作的重要教训。该实验由密歇根州立大学生物学家理查德·伦斯基发起。我去年在《纽约时报》上写过关于伦斯基的工作，并在我的新书《微观世界》中更详细地介绍。伦斯基从一个单一的微生物开始。它分裂了几次，变成了相同的克隆，伦斯基从中开始了12个菌落。他把这12个菌落分别放在各自的烧瓶里。每天，他和他的同事们给细菌提供少量的葡萄糖，它们会在下午被吞噬掉。第二天早上，科学家们从每个烧瓶中取出一小部分样本，放入一个装有新鲜葡萄糖的新烧瓶中。就这样，连续进行了20年，并且还在继续。基于科学家们对进化的已知，伦斯基期望细菌会在新环境中经历自然选择。在每一代中，一些微生物会发生突变。大多数突变是有害的，会杀死细菌或使其生长变慢。另一些则是有益的，能让它们在新环境中更快繁殖。它们会逐渐占据种群，直到出现新的突变产生一个更适应的微生物类型，然后它们会被取代。伦斯基使用一种简单而巧妙的方法来找出是否会发生这种情况。他冷冻了每个菌落的一些原始细菌，然后在每500代冷冻一次细菌。每当他愿意的时候，他就可以回到这个化石记录中，解冻一些细菌，让它们复活。例如，通过将他菌落中最新的细菌与其祖先一起放在烧瓶中，他可以比较这些细菌在新环境中适应得有多好。经过几代，时断时续地，细菌确实进化成了繁殖更快的生物。如今，烧瓶中的细菌平均比它们的原始祖先繁殖速度快75%。伦斯基和他的同事们已经确定了其中一些进化过程中的基因；例如，在某些情况下，相同的基因在几乎每个菌落中都发生了变化，但它们在每个菌落中突变的位置都不同。伦斯基和他的同事们还展示了自然选择是如何要求细菌做出权衡的；虽然它们在仅以葡萄糖为食的贫瘠饮食下生长得更快，但在以其他几种糖为食的能力上却变差了。去年，伦斯基当选为美国国家科学院院士。本周，他将与他的学生扎卡里·布朗特和博士后克里斯蒂娜·博兰德在《美国国家科学院院刊》上发表一篇就职论文。几年前我第一次见到伦斯基时，他告诉我论文背后的发现。他显然很兴奋，但还没有准备好公开。还有很多测试要做，才能确切地了解细菌发生了什么。现在他们确定了。出乎意料的是，他们的细菌放弃了伦斯基的纯葡萄糖饮食，并进化出了一种新的进食方式。在第33,127代时，伦斯基和他的学生注意到其中一个菌落有些奇怪。烧瓶开始变得浑浊。有时会发生这种情况，当污染的细菌混入烧瓶并在肉汤中一种称为柠檬酸盐的化合物上进食时，就会发生这种情况。柠檬酸盐由碳、氢和氧组成；它基本上和使柠檬变酸的柠檬酸一样。我们自己的细胞会产生柠檬酸盐，这是我们从食物中获取能量的一系列化学反应中的一环。许多种类的细菌都可以以柠檬酸盐为食，但在像伦斯基实验室这样的富氧环境中，埃博拉大肠杆菌却不能。问题是细菌无法通过它们的细胞膜将分子吸入。事实上，它们这种能力长期以来一直是埃博拉大肠杆菌作为一种物种的标志性特征之一。然而，如果以柠檬酸盐为食的细菌侵入烧瓶，它们就可以以丰富的柠檬酸盐为食，而它们爆发的种群会使烧瓶变浑浊。在伦斯基的实验中，这种情况只发生过几次，而且当发生时，他和他的同事们会扔掉烧瓶，并从最近冷冻的祖先那里重新开始菌落。但有一种非同寻常的情况是，他们发现一个烧瓶变得浑浊，而没有任何污染。是埃博拉大肠杆菌在以柠檬酸盐为食。研究人员发现，当他们将细菌放入纯柠檬酸盐中时，这些微生物可以将其作为唯一的碳源茁壮成长。在自然界中，曾有过几例报道称埃博拉大肠杆菌可以以柠檬酸盐为食。但这些特例都是从其他种类的细菌那里获得了称为质粒的DNA环。伦斯基为他的实验选择了一种不含任何质粒的埃博拉大肠杆菌菌株，实验中没有其他细菌，并且进化后的细菌仍然不含质粒。所以唯一的解释是，这一个埃博拉大肠杆菌菌株自己进化出了以柠檬酸盐为食的能力。布朗特承担了弄清楚发生了什么的任务。他首先试图弄清楚这是何时发生的。他回顾了祖先样本，看是否包括任何以柠檬酸盐为食的细菌。在前31,000代中，他找不到任何。然后，在第31,500代，它们占种群的0.5%。在接下来的1000代中，它们的种群上升到19%，但在第33,000代时，它们几乎消失了。但在接下来的120代左右，以柠檬酸盐为食的细菌疯狂增长，占据了主导地位。这种上升、下降和再次上升表明，以柠檬酸盐为食的进化并非一次突变就能完成。第一次突变（或多次突变）使细菌能够以柠檬酸盐为食，但它们被仍然占优势的以葡萄糖为食的突变体所淘汰。只有在进一步突变后，它们的以柠檬酸盐为食才成为成功的秘诀。科学家们想知道其他埃博拉大肠杆菌菌株是否也携带了这些看不见的、弱的以柠檬酸盐为食的种群。它们没有。这非常了不起。正如我之前所说，伦斯基的研究表明，在很多方面，进化是可以重复的。这12个菌落往往朝着同一个方向进化。（它们甚至会变胖，原因尚不清楚。）通常这些平行变化是相同基因改变的结果。然而，在以柠檬酸盐为食方面，进化似乎产生了一个巧合。为了衡量以柠檬酸盐为食的概率，布朗特和伦斯基重现了进化过程。他们从33,000代前以葡萄糖为食的细菌中的12个时间点开始培养新的种群。他们让细菌进化了数千年，监测任何以柠檬酸盐为食的迹象。然后，他们将细菌转移到只有柠檬酸盐可供食用的培养皿中。总共，他们测试了40万亿个细胞。这是一段关于这看起来像什么的视频…… 在这惊人的细菌群体中，只有少数以柠檬酸盐为食的突变体出现了。原始祖先或早期前体都没有产生以柠檬酸盐为食的细菌；只有菌落的后期阶段才能——主要是从第27,000代或更晚的时候开始。尽管如此，即使在这些后期的埃博拉大肠杆菌中，进化成以柠檬酸盐为食的概率仍然非常低，大约为万亿分之一。现在，科学家们必须确定这些细菌从以葡萄糖为食进化到以柠檬酸盐为食所采取的确切遗传步骤。为了以某种特定的分子为食，埃博拉大肠杆菌需要细胞膜中的一个特殊通道，通过这个通道吸入它。例如，一种专门用于其他分子的通道可能突变成一种也能吸入柠檬酸盐的形式。后期的突变可能对其进行了微调，使其能够快速吸入柠檬酸盐。如果埃博拉大肠杆菌被定义为一种不能以柠檬酸盐为食的物种，这是否意味着伦斯基的团队目睹了一个新物种的起源？这个问题实际上比看起来更复杂，因为物种的传统概念并不太适合细菌。（详情请参阅我在《科学美国人》上的新文章“什么是物种？”）在自然界中，埃博拉大肠杆菌与其他物种交换许多基因。例如，在过去15年左右的时间里，一种致病的埃博拉大肠杆菌菌株获得了数百个在密切相关的埃博拉大肠杆菌菌株中找不到的基因。（参见我最近在Slate上的文章。）埃博拉大肠杆菌的另一个标志性特征是其分解乳糖（牛奶中的糖）的能力。但有几个菌株已经失去了分解乳糖的能力。（事实上，这些菌株最初被赋予了不同的名字——志贺氏菌——直到科学家们意识到它们只是奇怪的埃博拉大肠杆菌菌株。）尽管如此，伦斯基和他的同事们还是目睹了一个重大的变化。他们的新论文清楚地表明，仅仅因为这种重大变化的几率非常罕见，并不意味着它不会发生。事实上，自然选择确保了有时会发生这种情况。最后，它证明了经过二十年，伦斯基的无形王朝仍然有一些惊喜。来源：Z.D. Blount, C.Z. Borland, and R.E. Lenski, "HI istorical Contigency and the Evolution of a Key Innovation in an Experimental Population of Escherichia coli." PNAS in press (http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0803151105) [更新：PDF 可在伦斯基的网站上找到。] 更新：请参阅我在此处的后续文章，回答了一些评论者的问题。
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