一项30年的实验如何从根本上改变了我们对进化运作方式的看法

那是1988年。一位年轻的科学家设立了一个简单的进化实验，涉及在烧瓶中生长的细菌小菌落。为了保险起见，他尝试了两种变体，每种都有略微不同的参数。尽管它们并存，但这两个实验本质上是平行宇宙，是彼此的镜像版本，只是交换了几部分。

其中一个实验在几个月内失败了——细菌很快就不再像预期的那样生长。但另一组菌落却蓬勃发展。这个实验最终演变成一个史诗级的规模——一个将为进化机制提供前所未有的见解，并产生一个庞大的实验室和研究人员生态系统。

是两个实验之间的小差异造成了如此大的影响吗？还是仅仅是运气，一个成功了，一个失败了？这些问题，巧合的是，正是实验的创始人，进化生物学家理查德·伦斯基一直试图回答的问题。

31年后，伦斯基站在密歇根州立大学的实验室中央。他身材高大，面容和蔼，布满皱纹的蓝眼睛在他谈到热爱的话题时会闪烁着光芒。在他面前是一个玻璃盖的箱子，里面放着12个烧瓶，装着大肠杆菌，机器时不时地轻轻摇晃着它们。这些小容器里装着伦斯基的标志性成就：长期进化实验（LTEE）的最新迭代。

伦斯基正在基因层面追踪他的12个细菌种群发生的变化。通过观察哪些突变出现并将它们与物理特征联系起来，他可以实时观察细菌如何进行生物学实验。然后他可以研究为什么一个突变会保留下来而另一个会消失。

这是一个具有深远意义的问题。进化机制造就了地球上所有活着的生物，以及曾经或将来存在的所有生物。从根本层面理解进化是如何运作的，将是回答一个大问题的重要一步：为什么我们的世界是现在这个样子？

见证进化

从核心来看，进化是一个悖论。它由一个看似随机的过程——突变的出现——驱动，然而结果却绝非随意。理清从混沌中雕刻出秩序的机制是伦斯基实验的最终目标。

然而，研究进化之所以困难，是因为它在自然界中几乎不可能被分离。当科学家设计一个实验时，他们会尽一切努力确保除了他们想要研究的一个变量之外，其他一切都不变。但驱动进化的突变是在复杂且不断变化的环境背景下发生的。

然而，在LTEE中，每一代细菌都面临与其祖先相同的条件，没有可变性。当它们每天生长超过六代——相当于人类历史150多年——曾经缓慢的进化过程开始在一个更适合我们观察的时间尺度上展开。

当生物体繁殖时，突变自然发生。这些小错误发生在遗传物质复制时。突变通常是有害的，但有时它们会带来有益的特征。被称为自然选择的过程以简单而严酷的逻辑淘汰有害突变。

在伦斯基的实验中，就像在现实世界中一样，带有有害突变的细菌会繁殖得更慢或死亡，因此它们不会将突变基因传给那么多后代。那些拥有使它们繁殖最快的新特征的细菌变得最丰富，这意味着它们的后代最有可能被纳入实验的下一次迭代。这增加了最有益的新突变成为整个种群遗传构成中永久特征的可能性。

随着细菌积累有益突变，它们开始改进，或者用进化生物学的术语来说，变得更适应。在LTEE中，适应性通过细菌繁殖的速度来衡量。

一代又一代

在伦斯基的12个玻璃宇宙中，温度是37摄氏度，与你身体的98.6华氏度相同。在过去的三十年中，它一直是37摄氏度。超过70,000代的细菌在这样的烧瓶中生生死死。

它们的照料和喂养以精确的方式进行。细菌生活在水中，水中含有葡萄糖等营养物质，即它们所吃的糖，以及柠檬酸盐，一种帮助它们吸收铁的化合物。每天，实验室成员从每个10毫升（约200滴）的烧瓶中取出0.1毫升（约两滴）并将其转移到装有新鲜水和糖的新烧瓶中。每天进入移液管的细菌被允许继续繁殖。每500代（大约每75天），从每个种群中取一个样品储存在超低温冰箱中。

日常转移目前由研究生Devin Lake管理，尽管大多数实验室成员都会在某个时候参与。Lake最近从长期实验室经理Neerja Hajela那里继承了这个职位——她的照片，用棒球棒授予Lake骑士称号，挂在实验台上方。

几代科学家和学生都参与了日常转移的仪式。31年来，目标始终如一：找出进化的机制。有益的性状在种群中得以保留，这一点早已显而易见。但关于其发生方式的见解却不那么常见。LTEE已经开始提供这些见解，并且它改变了进化生物学领域。

“LTEE影响着我们在实验微生物进化中所做的一切。它是基础性实验，”哈佛医学院研究细菌进化的生物学家Michael Baym说。“我不确定我能告诉你它如何影响了我的思维，因为我不确定如果没有这个实验的存在，我能否设想在这个领域工作。”

如今，世界各地的科学家都在使用源自LTEE的细菌种群。受伦斯基工作启发，多个长期进化实验应运而生，他的一些前学生也纷纷建立了各自的实验室，致力于进化研究。

适者生存

为了追踪细菌的进展，伦斯基组织了比赛。这包括将每个种群的最新迭代与其祖先（从冰箱中复活）一起培养。目标是观察12个种群中的每一个与它们的祖先相比繁殖速度快了多少，并测量它们随时间推移的改善率。

如今，7万多代的生长已经让它们全部成为赢家。所有12系细菌的最新一代都积累了数十种有益突变，使它们繁殖速度比祖先快约70%。祖先种群数量翻倍需要大约一个小时，而现在只需大约40分钟。

但那些足够成功得以持续的突变越来越稀有。在实验过程中，发生了数十亿次变化——伦斯基估计，大肠杆菌460万个碱基对中的每一个DNA字母都突变了多次。其中少数有益且幸运存活下来的，只是几乎无限可能性中极其微小的一部分。

这并不是说每个种群都遵循相同的路径来获得基因优势。这12个小瓶中的细菌，至少在基因层面，都明显不同。尽管它们的繁殖速度都在彼此的几个百分点之内，但它们各自获得的策略却大相径庭。这些差异可能归结于科学家称之为历史偶然性的概念——即巨大的差异是由过去一系列微小、有时看似无关紧要的变化所促成的。

这个想法在LTEE中反复出现。细菌的许多最显著的变化都可以追溯到看似惰性突变，这些突变为其基因组的更大发展奠定了基础。在遗传学方面，历史偶然性具有额外的分量，因为许多性状并非单一幸运突变的结果，而是相互关联的遗传变化的链条，每一个都取决于上一个。

这是一种适用于我们自己生活的范式。我当时应该坐那趟火车吗？如果我从未读过那本书怎么办？也许我应该和他谈谈？每一个选择都衍生出它自己的一系列复杂到无法预测的平行现实。只有事后回想，我们的道路才变得清晰。

不断发展的实验

LTEE远非第一个观察进化发生的实验。早在19世纪，研究人员就一直在观察微生物的生长，试图了解其适应背后的动态。20世纪40年代的一项实验与LTEE有许多共同之处，甚至连所使用的微生物菌株也一样。然而，这项实验的幕后研究者，哥伦比亚大学的弗朗西斯·瑞安在发表任何数据之前就因心脏病去世了。

最近，研究人员将果蝇饲养了数千代，观察它们的进化。但这些实验都没有提供与LTEE相同水平的洞察力。

理解原因很困难。但有一个因素似乎是所有这些的基础：伦斯基本人。

“我真的认为，里奇的实验，坦率地说，结合他自己的个性，对于整个领域的发展是多么重要，怎么强调都不过分，”哈佛大学进化生物学家Michael Desai说。“一个想法，一个实验，一个人能产生如此广泛的影响，这对我来说确实非凡。”

濒临放弃

LTEE并非一直都是富有成效的，所以伦斯基在某个时候考虑终止他的实验是不可避免的。有时，这个实验似乎只是靠惯性维系着。

“它发展迅猛，远远超过了一万代，”伦斯基说。“但有几件事让我开始考虑可能要结束它。”那时，实验大约进行了十年，最激动人心的事情几年前就已经发生了。LTEE可能已经枯竭了。

伦斯基在1998年险些完全放弃，当时他正在法国休假，并开始玩一款名为Avida的软件。这实际上是他自己生物实验的计算机版本。它让他能够以远超他自己实验所能达到的速度观察数字生物的进化和繁殖，而且它不涉及LTEE繁琐的日常转移或冷冻储存，更不用说永无止境的拨款申请过程了。

在即将突然结束一个已经进行了10年的实验时，他的妻子和同事说服他继续下去。这最终成为实验史上最幸运的决定之一。

2003年，伦斯基的一名学生进入实验室，发现了他认为是错误的东西。其中一个烧瓶一夜之间变得不透明，被细菌的突然过度生长所遮蔽。测试表明实验上没有问题——但不知何故，里面的微生物生长速度比以前快得多。

伦斯基和他的学生发现，细菌已经进化出能够食用添加到烧瓶中帮助它们摄取铁的柠檬酸盐的能力。这种新能力带来了惊人的影响。细菌现在可以利用以前无法获得的能量储存，从而使其生长速度飙升。其他种群以前都没有获得过这种能力，此后也没有任何种群获得过。

Zachary Blount，现在是伦斯基实验室的博士后研究员，开始寻找导致细菌获得这项新超能力的那些关键突变。

伦斯基和他的团队将这些事件称为“促进事件”：这些突变当时可能没有导致明显的变化，但它们使未来特定突变发生的可能性更大。至少有两个这样的促进步骤，以及无数其他更小的事件，使细菌稍微更接近戏剧性的变化。

“就我们所知，那个种群（指能吞食柠檬酸盐的细菌）并没有什么特别之处，”伦斯基说。“[但是]发生了一些小小的修补，当这个事件发生，然后又发生了一些小小的修补，世界突然就改变了。”

他们随后回去，从冰箱中储存的旧样本重新启动了该种群，以查看是否会出现相同的适应性。他们发现确实会出现，但只有在某个特定点之后。一系列特定的突变需要首先发生，而且无法保证它们会发生。

“很难量化在这些不同时间点，它们可以多么容易地走向这些不同的方向，”伦斯基说。但随着细菌的生长和变化，可能性从几乎不可能急剧转向更有可能。

其他细菌种群原本可能接近获得同样的能力，却因一个错误的突变而偏离了方向。一旦错过，那个十字路口可能永远不会再出现——那是一个永远关闭了门的平行宇宙。

这对伦斯基来说是一个有趣的问题，尤其因为它暗示了围绕这个项目的一种元叙事。“所有事情的随机性与某些方面的可预测性之间存在着美妙的张力，这种相互作用令人着迷，”他说。“这就是实验的意义所在，它被写入了实验本身的DNA……我会说，它也被写入了我们所有人的经历中。”

31年过去了，他的实验，在某种非常真实的意义上，正在解释它自己的存在。

永不停歇

在某个阶段，伦斯基意识到LTEE不应该停止。部分原因是，他花了数万代才发现真正有趣的事情。而更多的惊喜可能在几个月或几年后等待着。

但继续下去的决定也基于伦斯基最具煽动性的发现之一，这个发现需要一个接近无限的时间跨度。

在整个实验过程中，大肠杆菌的繁殖能力持续提高。尽管它们的生长速度随着时间推移而减缓，但没有一个种群停止改进。根据他的计算，伦斯基现在相信它们永远不会停止。

他说，他开始实验时假设进化总有一天会停止。“现在我意识到我当时那么想是完全愚蠢的。”

细菌稳定的改进如此可预测，以至于可以用数学方法绘制出来。伦斯基以前的学生迈克·怀泽发现，他可以用幂律函数来解释它们不断增加的繁殖速率。

绘制在纸上，幂律曲线表面上看起来像一条双曲线——一条曲线在给定时间后逐渐弯曲以达到一个上限。但这个水平上限，称为渐近线，在幂律中并不存在；尽管上升趋势随时间减缓，但它会永远持续增长。

三十多年过去了，伦斯基的数据表明，再过30年，甚至300年，细菌的繁殖速度仍将比前一天更快。有益突变的供应似乎取之不尽。

伦斯基急于争取资金，以确保LTEE在未来几十年中得以存续，尤其是在他考虑退休的时候。他说他已经选好了接班人，并且对世界各地涌现出互补的长期进化实验，探讨类似问题感到欣慰。

在哈佛大学，德赛正在用机器人实验室技术员维护的酵母进行一项类似的实验，预计在几十年内，该实验的代数将超过LTEE。如果可以这么说，这是伦斯基项目的进化版，或许更适合探究他最初设定的问题。

一代又一代，无论是在LTEE主体所处的玻璃小烧瓶内外，进步都是不可避免的。

Nathaniel Scharping 是 Discover 的副网络编辑。本故事最初以“70,000 Generations and Counting”为题刊登于印刷版。