1988年，现任密歇根州立大学进化生物学家理查德·伦斯基（Richard Lenski）启动了最长久的自然选择实验。实验始于一个单微生物——大肠杆菌——伦斯基用它来培养十二个基因完全相同的细菌品系。他将每个品系放入一个单独的烧瓶中，并为它们提供了少量的葡萄糖。细菌在几个小时内就吃光了糖。第二天，他从每个烧瓶中取出一滴微生物肉汤，让它滴入一个新的烧瓶中，其中包含新鲜的食物。细菌又开始繁殖，然后又一次挨饿，然后又被转移到一个新家。在过去的24年里，伦斯基和他的同事们每天重复这个过程，繁衍了超过55,000代细菌。12年前，我第一次报道了伦斯基的实验，并且这几年里我再次关注了它。这些细菌以各种有趣的方式进化，并且由于保存了冷冻的化石记录，伦斯基能够详细地重建它们的进化历史。每500代，伦斯基和他的学生就会从每个烧瓶中收集一些细菌放入冰箱。他们可以随时解冻这些祖先，并将它们与最年轻的后代进行比较。自1988年以来，生物技术得到了极大的发展，为伦斯基提供了越来越强大的进化显微镜。刚开始时，识别每个品系中出现的许多突变中的一个可能需要数月时间。如今，他和他的同事只需花费几百美元就可以对整个大肠杆菌基因组进行测序，并找到其DNA中的每一个新突变。四年前，我在这里写过关于伦斯基实验室进化过程中一个特别引人入胜的事件。事件始于2003年，当时那里的科学家注意到12个烧瓶中的一个出现了一些异常。它比其他烧瓶变得更加浑浊。在微生物实验室里，这是细菌种群爆发的明确信号。起初，团队怀疑有其他种类的细菌混入烧瓶并快速繁殖。但他们发现烧瓶中挤满了大肠杆菌——那是伦斯基最初用于启动整个实验的祖先的后代。不知何故，这个烧瓶中的细菌已经进化出一种比其他细菌生长快得多的方式。科学家们确定，这些细菌发生了剧烈转变：从以葡萄糖为食转向以另一种称为柠檬酸的化合物为食。柠檬酸是伦斯基大肠杆菌生长的培养基中的一种成分。它不是食物；相反，它有助于在培养基中保持适合大肠杆菌生长的矿物质平衡。对于微生物学家来说，实验室中出现以柠檬酸为食的大肠杆菌是非常奇怪的。大肠杆菌通常在有氧气存在的情况下无法以柠檬酸为食。一些大肠杆菌菌株可以摄入柠檬酸，但前提是周围没有氧气。为了使反应起作用，它们必须同时泵出另一种称为琥珀酸的化合物。大肠杆菌在有氧气存在的情况下以柠檬酸为食的能力极其罕见；它发生在大肠杆菌从其他物种获得必需基因时。在其正常环境中（在我们体内），自然选择可能不会偏爱这些突变体。科学家们研究大肠杆菌已有百年以上，使其成为地球上研究最透彻的物种（正如我在我的书
Microcosm）中解释的）。
但在所有这些时间里，1982年仅有一次关于实验室柠檬酸喂养大肠杆菌的报告。事实上，大肠杆菌无法在柠檬酸上生长这一点如此鲜明，以至于微生物学家用它来判断他们遇到的细菌是否是大肠杆菌。因此，伦斯基和他的学生们惊讶地发现，他们烧瓶中的大肠杆菌突然开始以柠檬酸为食。这些细菌并没有从其他物种那里获得基因。相反，它们的新能力一定是在伦斯基用一株大肠杆菌开始他的实验后进化出来的。这不仅仅是自然选择让一个物种做得更好的情况。这是做一些新事情的情况。当时是伦斯基实验室的研究生，现在是那里的博士后研究员的扎卡里·布朗特（Zachary Blount）领导了对这一奇怪新发展的调查。布朗特和他的同事们移除了葡萄糖，发现大肠杆菌可以仅靠柠檬酸就能茁壮成长。然后，他们解冻了细菌的祖先，并用柠檬酸喂养它们，以弄清楚它们何时获得了这种能力。他们发现，在大约第31,000代左右，一小部分细菌能够非常缓慢地在柠檬酸上生长。经过几千代，它们在以柠檬酸为食方面变得更好——最终变得如此之好，以至于它们占领了烧瓶并使其变得浑浊。布朗特和伦斯基于2008年首次报道了柠檬酸食者的进化。现在，经过另外四年的艰苦研究，他们带着一份新论文回来了，该论文详细介绍了在分子层面上发生的事情。这是对新性状如何通过复制和回收旧部分进化的迷人研究。科学家们发现，进化分为三个阶段。第一阶段，为转变奠定了基础。第二阶段，细菌成为了柠檬酸食者。第三阶段，它们成为了更好的柠檬酸食者。通常情况下，我们习惯于从第一章开始讲故事。但在这个例子中，最好从第二章开始：柠檬酸食者的诞生。当大肠杆菌处于缺氧状态时，它会开启一个名为citT的基因。与其他物种（包括我们）一样，大肠杆菌通过将蛋白质附着在附近DNA的短链上来开启和关闭基因。当大肠杆菌感知到缺氧时，蛋白质会附着在citT附近的基因开关上。一旦它们开启了基因，它就会产生被输送到细胞表面的蛋白质。在那里，它们将一端伸入环境并摄入柠檬酸，同时还会泵出琥珀酸。柠檬酸进入微生物后，细菌就可以将其分解以获取能量。然而，当大肠杆菌在有氧气中生长时，没有蛋白质会附着在citT基因附近的基因开关上，因此它保持沉默。微生物不会浪费能量制造一个对其生长无益的蛋白质。进化已经重写了柠檬酸食者中的这个小程序。当伦斯基烧瓶中的一个细胞分裂时，它以一个致命的错误复制了它的DNA。它偶然将citT复制了两次。新副本出现在一个不同的基因开关附近——一个在有氧气存在下（而不是缺氧）开启相邻基因的开关。虽然citT在烧瓶中的其他细菌中保持沉默，但在突变细胞中，它被开启了。微生物开始在表面附着柠檬酸转运蛋白，并开始摄入这种分子。这种突变必须发生在第31,500代左右，当时布朗特发现了最早的柠檬酸食者。这个突变是一个粗糙的技巧；它产生了一种可以摄入少量柠檬酸但不能大量摄入的微生物。它仍然必须以葡萄糖为食才能生存。第二章至此结束。在第三章中，微弱柠檬酸食者的生活变得更好。它们复制了citT基因及其氧气敏感启动子。现在细菌可以制造更多的CitT通道，从而摄入更多的柠檬酸。细菌进行了第三次复制，可以摄入更多。布朗特及其合著者通过解冻第二章的细菌并将citT的副本插入其中，证明了额外的副本以这种方式帮助了细菌。那些早期的柠檬酸食者立即变得更擅长进食。科学家们还发现了第三章期间出现的其他突变。尽管他们还没有弄清楚这些突变的作用，但到目前为止收集到的证据表明，这些突变使细菌能够更有效地分解柠檬酸，从而从食物中获得更多能量。然而，故事中最有趣的部分是第一章：奠定基础。当伦斯基和布朗特首次开始研究柠檬酸食者时，他们想知道如果他们倒回进化磁带并让细菌重新进化会发生什么。柠檬酸喂养会再次进化吗？布朗特解冻了细菌历史上不同时期的祖先，并再次开始进行相同的进化实验。在一些试验中，细菌确实进化成了柠檬酸食者——但前提是它们来自第20,000代之后。这一发现表明，只有在20,000代之后，细菌才为进化成柠檬酸食者做好了准备。它们必须已经获得了其他奠定基础的突变。为了检验这个想法，布朗特和他的同事们解冻了一些“准备好”的细菌：晚代的大肠杆菌，它们还没有获得citT突变。他们创建了一个装有许多CitT副本和氧气敏感开关的微型DNA环，并将其插入了准备好的细菌中。正如他们预测的那样，这些细菌现在突然可以大量地以柠檬酸为食。但是，如果布朗特和他的同事们将DNA环插入该品系的原始祖先中，它在柠檬酸上生长得很差。这种失败表明，早期细菌还没有准备好接受这种进化礼物。于是，一段历史形成了：第一章（从零代到至少20,000代）：我们的英雄大肠杆菌获得了看起来与以柠檬酸为食无关的突变。它们可能帮助细菌在其稀少的葡萄糖供应上生长得更好。至少其中一个突变为以柠檬酸为食奠定了基础。第二章（大约第31,500代）：细菌意外地重写了它们的基因组，使得citT的一个新副本在有氧气存在下开启。由于第一章的突变，这种重写带来了适度但重要的改进。现在细菌可以以柠檬酸和葡萄糖为食。第三章（从大约第31,500代到33,000代及以后）：细菌复制了新的、改进的citT。它们可以摄入更多的柠檬酸；新的突变微调了它们的代谢，使其能够快速地以这种分子为食。世界统治即将到来。这个实验包含科学家在其他物种中注意到的许多进化元素，这一点非常 remarkable。基因复制，新副本被重写以执行新任务，这是很常见的。例如，蛇毒就是基因意外复制然后被重写而进化的。例如，一个最初在胰腺中产生消化酶的基因，现在在蛇的嘴里产生了这种酶。它变成了一种粗糙但有效的毒液。后来的突变微调了新的毒液基因，直到它变得极其有效。唯一的显著区别是，蛇进化出毒液武器库需要数百万年，而科学家们只能通过比较现存物种来重建它们的进化。但在大肠杆菌的情况下，这种转变的展开速度足够快，可以让人从头到尾地追踪——并在必要时重新启动。参考：Blount et al，“Genomic analysis of a key innovation in an experimental Escherichia coli population。”Nature，2012年9月19日。
