相信是上帝创造了世界的狂热分子——所谓的神创论者——恶毒地攻击了理查德·伦斯基。1988年,这位美国生物学家开始了历史上最大胆的实验之一。他开始在独立的容器中培养12个相同的细菌种群,以直接观察它们的进化。这个项目只持续了几个月,但它的结果是如此惊人,以至于来自密歇根州立大学的Lenski团队每天都在观察这些微生物超过35年。大约有75000代人——相当于看到人类血统在超过150万年的时间里发生了变化。42岁的西班牙生物学家亚历杭德罗·库斯(Alejandro Couce)和他的同事们现在已经沉浸在Lenski的微观世界中,并得出了一个非凡的结论:“进化可以在短期内预测。”
库斯出生在西班牙的伊里克斯瓦镇,他引用了古生物学家斯蒂芬·杰伊·古尔德在他1989年出版的《奇妙的生活》一书中提出的一个著名的思想实验。如果你能把地球倒回几亿年前,重新开始,同样的事情会发生吗?有能力写出《堂吉诃德》的智能双足生物会再次出现吗?长颈鹿和蝴蝶会出现吗?古尔德的一个重要问题是,进化是取决于偶然还是被决定的。
兰斯基自1988年以来创作了大量作品。被调查的细菌是存在于人类肠道中的大肠杆菌。几乎七代人生活在一天之中。科学家们每天都要更换他们的培养基,无论是在公共假日、周末还是在暑假期间。这12个种群一直以水、盐和葡萄糖为食,但在12个容器中的结果却惊人地不同。在第31500代时,其中一个菌落学会了以柠檬酸钠为食,这是培养基中的一种成分,而这种细菌以前是排斥柠檬酸钠的。一个新的,事实上的物种出现了,但只在12个种群中的一个。
伦斯基耐心地每隔500代保存一次他的细菌冷冻样本。在他的冰箱里,可以探索1988年以来发生的事情,并探讨一个更加雄心勃勃——几乎是哲学性的——问题:这一切会发生不同的结果吗?来自马德里理工大学的Couce解释说,他的团队向Lenski询问了来自不同世代的微生物。他们的目标是解冻微生物,繁殖它们,并测试数十万个突变,以分析每个突变是如何受到影响的。
“如果你回溯到150万年前的7.5万代人类,智人还不存在。我们所做的就像拿一个直立人,对它的所有基因进行所有可能的突变,然后问自己这些突变是否会产生尼安德特人,即阿塔普尔卡人的祖先或智人,”库斯说。他说,他的团队已经能够预测细菌“高达75%的最初适应步骤”。他们的研究结果于周四发表在著名的《科学》杂志上。
然而,这项新研究的合著者Lenski对此持谨慎态度。自1988年以来,他的实验日复一日地保持着相同的、完全受控的条件,这与地球上发生的情况大不相同,地球上的情况受到气候变化、陨石、太阳耀斑和生物之间无休止的相互作用的影响。“我对这些新结果感到兴奋,但科学还远远不能预测广阔而复杂的自然世界中的进化。在任何情况下,这就是科学通常的工作方式:逐步推进,而不是一次解决所有问题,”Lenski说,他参与了2001年9月11日美国袭击事件后炭疽袭击的调查。
古尔德的谜可能永远不会有答案。“这些新数据,以及我在1988年开始的实验的其他发现表明,即使在这些简单的条件下,进化也会产生丰富而迷人的可预测和不可预测的组合。我怀疑,当进化扩展到古尔德所设想的大行星尺度时,同样的事情也会发生,”伦斯基解释说。
Couce说,他的团队将新的大规模基因工程技术应用于所谓的长期进化实验。这位西班牙生物学家认为,这些结果使他能够“梦想”对病原体和害虫的进化做出具体的预测,就像科学已经可以对气候做的那样。他说:“这项工作为预测新病毒从穿山甲身上跳下来并适应人类的重要因素打开了大门。”
微生物学家萨拉·埃尔南多·阿马多赞扬了库斯和他的同事们的“绝妙想法”。“它们不仅提出了生物学中最有趣的问题之一——是否有可能预测进化——而且还为我们提出了一个问题,这个问题对于解决我们面临的最大健康挑战之一至关重要:是否有可能预测致病菌中抗生素耐药性的出现?”位于马德里的西班牙国家生物技术中心的研究员Hernando Amado说。她补充说:“我们有一种工具——进化知识——可以让我们通过更好地选择抗生素来阻止或减缓与使用抗生素相关的耐药性的出现。”
微生物学家Jerónimo Rodríguez Beltrán也对他没有参与的这项新研究表示赞赏。“这表明,至少在实验室里,进化在某种程度上是可以预测的。只要条件保持不变,生命的磁带就会播放同一首歌。至少是第一个和弦,”来自马德里Ramón y Cajal健康研究所的研究人员说。他补充说:“这是一个非常重要的发现,因为它打开了预测细菌进化的大门,这在生物技术等各种领域都有应用,在生物技术中,细菌被用来生产感兴趣的化合物,或者在药物中,对抗生素具有耐药性的细菌正变得惊人地普遍。”
英国政府在2016年的一份报告中警告称,耐药微生物——尤其是细菌——每年导致全球70万人死亡。根据这份文件,到2050年,抗菌素耐药性每年可能导致1000万人死亡,这个数字比癌症还要高。Rodríguez Beltrán指出,新的数据只适用于不相互交换遗传物质的细菌,这是其他微生物中非常普遍的现象,这是抗生素耐药性传播背后的原因。然而,这位微生物学家很乐观:“这项工作的结果对试图预测多重耐药细菌出现的科学家来说是一种鼓舞:他们告诉我们这是可能的。隧道的尽头是光明的。”