世上最長的進化實驗 P2 - 純英文版

這些是正在對越來越濃縮的抗生素產生抗性的細菌。 細菌在接觸到第一個抗生素紙片時便停止生長。 但隨後出現了一種能夠在抗生素中存活的突變體。 接著，另一個突變發生了，現在細菌能夠存活於原本濃度的十倍。 然後100次。 最後，僅經過11天的演化， 這些細菌能夠抵禦強一千倍的抗生素 比一開始就會殺死他們的還要嚴重。 你正目睹進化在進行中。 我要去密歇根州，親眼見證世界上持續時間最長的演化實驗。 走吧。 這是理查德·萊恩斯基。 他33年前開始了這個實驗， 並與一群同事一起，自那以後即使在週末也持續維持運作。 此實驗室內有 12 個裝有活體大腸桿菌的試管。 他們是幸運的少數，是那些在實驗室中經歷了三十多年演變仍存活下來的個體。 因此有12條長期線。 在1988年，一個單一的共同祖先產生了這12個獨立的族群， 從那天起，它們便一直獨立地生長與分裂。 那麼它們是如何演變的呢？ 還有其他持續進行的演化實驗， 自1896年以來，伊利諾大學的 AVS 科學家們一直致力於選育玉米。 但它們每年只有一代。 而這些細菌每天可經歷六至七代。 因此，經過33年後，這些錐形瓶中的細菌已繁衍至第74,500代。 如果這些是人類的世代，將代表人類類群演化了百萬年的時間。 我們開始實驗的方法是將大量細菌稀釋。 放置在培養皿上，每個單一細胞都會形成一個菌落。 於是我們從一個族群中取出少量個體，用來建立另一個族群。 從另一個殖民地帶來一點，以開始建立另一個族群， 但實際上，它們都起源於單個細胞。 這很重要，因為這表示如果我們看到同樣的情況發生 在複製的族群中，並非因為它們一開始就擁有相同的基因變異。 而自然選擇只是反覆挑選出同樣的東西。 你實際上必須有獨立的突變 這將帶來這些競爭優勢， 無論那是什么，都必須能產生在12個重複族群之間的可重複性。 實驗室環境與細菌原本所處的環境大不相同。 這要簡單得多，因為沒有其他生物存在。 它們被保持在攝氏37度，並生活在相同的溶液中。 一種包含葡萄糖、磷酸鉀、檸檬酸以及其他幾種物質的混合物。 他們唯一的碳來源是葡萄糖，而葡萄糖的量是有限的。 最重要的是，攝取那種葡萄糖並将其轉化為後代， 盡可能快速地複製，似乎正是我們所選擇的東西。 每天在每個試管中，細菌會分裂六到七次。 這使得它們的數量增加了百倍。 通常，我們會認為世代是受經過的時間所限制的， 但在這些細菌的情況下，它們受到可用資源的限制。 如果他們擁有十倍的解決方案，他們的人數就會再增加十倍。 從過去33年來，幾乎每天都在進行這個轉移過程。 0.1 毫升，或每個錐形瓶中溶液的 1% 轉移至裝有相同溶液的無菌新錐形瓶中。 它本質上將細菌稀釋了一百倍。 這為他們提供了成長和再次分裂所需的空間與資源。 將其數量增加一百倍，然後在第二天重複相同的過程。 然後是接下來的一天，再接下來的一天， 即使在週末，這個過程也已經持續了三十多年。 那些沒有轉移到新培養瓶中的細菌，也就是那99%，會怎樣？ 那是高壓滅菌室。 在滅菌室裡發生了什麼？ 每天，99%的大腸桿菌都在這間可怕的房間裡死去了。 這不是像細菌的火葬場嗎？ 對，沒錯，正是這樣。 你可以想像，如果科學家們沒有這麼做， 但反而每天給所有細菌一百倍多的培養液讓它們生長。 嗯，這個實驗很快就會變得無法控制。 第二天，你需要一立方米的溶液。 但到了第13天，實驗的體積將是地球的10倍。 到了第42天，這個實驗將填滿整個可觀測宇宙。 對我來說，基因學的整個概念似乎 是為了讓它們保持恆定，而突變則應罕見。 然而在你的實驗中，它們似乎並不罕見。 因此我們估計，在我們的細菌中， 大約一百個細胞中才有一個，或一千個細胞中才有一個 甚至會有一個突變。 所以那並不多。 相比之下，在人類身上，據估計我們每個後代所承載的突變數量都相當可觀。 可能有10、20或50個新的突變。 因此，細菌極其保守， 但在一個小小的試管中，也有數十億個。 因此，如果你有千分之一的機會發生突變 而且你有十億個人， 那麼在其中一個錐形瓶中，每天可能會出現一百萬個新的突變。 因此，這其中存在著大量的變異，自然選擇可以作用於此。 也許一半的突變根本不會產生任何影響 細菌生長和繁榮的能力 在那個特定的環境中。 它們可能是那些在廣闊自然環境中才會產生影響的突變。 但這是一個非常簡單的環境。 也許那些基因根本就沒有表現出來。 另一半的突變，大致而言，非常粗略地說， 實際上可能是有害的突變。 他們讓細菌成為較弱的競爭者。 但每天發生的百萬次突變中，或許有那麼一些 也許有十個，也許有一百個， 也許有上千個真正改變了細胞的東西 這使得細菌相較於其祖先具有競爭優勢。 然後它們在當天的過程中逐漸長大。 然後每天都有99%的人口被消滅。 這幸運的1%勝出了。 而且如果那幸運的1%中包括了前一天的其中一位男子 那增長速度比其他人快了10%。 它更有可能促成下一个瓶罐的產生。 第二天的瓶中液，以及新鮮的培養基中， 而且它將以10%的速度持續更快地增長。 而且這會以指數方式不斷累加。 因此，這些突變在最初出現時其實非常稀有 certainty 而且其中許多已經遺失了。 但一旦它們變得普遍，如果它們擁有這種競爭優勢， 他們只會在人群中橫掃而過。 但是你怎麼知道細菌確實具有競爭優勢呢？ 我的意思是，你怎麼知道它們正變得越來越適應環境呢？ 好吧，這正是細菌獨特性質之一的所在。 它們可以被冷凍很長一段時間，然後再恢復生命。 因此它們被儲存在這裡的懸浮靜止狀態中。 所以這些是存放冷凍樣本的架子 各種世代的細菌。 每500代左右，約75天， 他們會冷凍每一個族群的樣本。 透過凍結前幾代人， 倫斯基和他的團隊擁有凍結的化石紀錄。 因此，我們來自三十多年前的樣本依然完全具有活性。 因此，這讓我們具備了我所稱的時光旅行能力。 我們可以實際上比較在不同時間點生存的生物。 因此，我們可以將第70,000代的細菌與其祖先進行競爭對比。 沒錯。 他們衡量健康狀況的方式是透過競賽 現今一代的細菌對抗較舊一代的細菌。 就像一個奇怪的細菌格鬥俱樂部。 他們解凍了老一輩。 將它與現今一代混合於一個量筒中， 然後將溶液樣本塗布於平板上 觀察兩個族群在起始時的相對豐度。 然後他們將燒瓶孵化一天，再將其重新塗布。 重點在於比較它們相對的增長速率。 哪一代更能有效利用葡萄糖並分裂得更快？ 好吧，究竟要怎麼分辨一個演化過的細菌和它的祖先呢？ 他們會不會向你揮舞小旗幟，說：嘿，我可是進化過的傢伙！ 當然不會。 但我們所擁有的，是這個顏色標記嵌入在實驗中。 因此，我們在某種瓊脂平板上，有六個菌株會形成紅色菌落。 其中六個形成白色菌落。 我們有一種祖先版本，會形成紅色菌落。 以及產生白色菌落的一種。 我們可以將其中一個紅色進化種群與白色祖先進行競爭對比 或是一個白人演化族群對抗紅色始祖 我們可以區分它們。 在這種情況下，明顯可以看出進化後的紅色族群 超越了他們的白人祖先。 現在，要確定勝者，所有殖民地都必須人工計算。 那麼，這個實驗最早的重大發現是什麼呢？ 我們發現的第一件事，儘管根本不存在任何疑問， 但它是最直接的展示之一 達爾文式適應透過自然選擇，你所能想像的。 是的，他們隨著時間的推移，競爭力越來越強。 這是在其他演化實驗中常見的觀察結果 在新環境中，演化便會迅速展開。 然後隨著時間的推移逐漸減慢。 於是我們重複了這一觀察，我心想 長期線最終會在某個時刻幾乎持平。 我甚至曾考慮過停止這個實驗。 但我從同事和我的妻子馬德琳那裡獲得了明智的建議。 讓我們繼續下去。 於是我就答應了。 而且他這麼做是件好事，因為在2003年， 細菌開始做一件非凡的事。 十二個世系中的一支突然開始吞噬 另一種碳來源，檸檬酸 這一直存在於我們的媒介中，貫穿整個實驗過程。 它在媒介中被稱為螯合劑。 將金屬結合於介質中。 但大腸桿菌，回到其最初作為物種的定義時， 無法做到那一點。 但有一天，我們發現其中一個試管的混濁度更高。 我以為我們那裡大概有污染物。 有些細菌進入了那裡，能夠分解檸檬酸。 因此導致懸濁度升高。 我們回到冷凍庫，重新啟動了演化。 我們也開始檢驗那些細菌，以確認它們是否真的是大腸桿菌。 沒錯，它們是大腸桿菌。 它們真的是來自祖先菌株的大腸桿菌嗎？ 是的。 因此我們開始對它進行遺傳學研究。 很明顯，我們其中一個細菌系譜基本上已經…… 我喜歡說，某天突然醒來，吃了葡萄糖。 而且與其他任何世系都不同， 發現有一款清爽的檸檬甜點。 而且他們開始攝取這種物質，獲得第二種碳和能量來源。 扎克對這個問題感興趣。 好吧，為什麼它進化得這麼慢？ 為什麼只有一個種群演化出了這種能力？ 他走進冷凍庫，挑選了細菌個體或克隆體。 來自那條血統，最終演變出那項能力。 然後他又試著從不同的起點再次發展那項能力。 從某種意義上來說，這幾乎就像是倒帶重來，重新開始一樣。 讓我們回到電影的第五分鐘。 讓我們回到電影的第10分鐘，電影的第20分鐘。 並查看結果是否會因執行時間的不同而有所變化。 由於這種檸檬酸鹽表現型，基本上存在兩種相互競爭的解釋。 之所以如此難以演化。 其中一個原因是這只是一種極其罕見的突變。 這不是其中一個只改變了一 prohibition disciplines. 那是一種可能需要翻轉某段特定DNA序列的情況。 而且你必須恰好設置這個斷點，也必須恰好設置那個斷點。 而且那是唯一可行的方法。 因此，這是一個罕見的事件，但卻可能在任何時刻發生。 另一種假設是，嗯， 發生的事是一連串事件，使得某件原本再平凡不過的事變得可能。 這在一開始是不可能的，因為突變只會產生這種效果 當生物體的其他方面發生變化時。 簡而言之，結果發現這種特徵極難演化出來。 因為這兩個假設都是真的。 該實驗還揭示了其他令人驚訝的發現， 相反，細菌的數量並未隨時間增加， 它們的數量實際上减少了。 但每個單獨的細菌都變大了。 十二個族群中有六個演化出高頻突變性， 突變率是其祖先的百倍。 但這些族群後來又獲得了額外的突變 這使得突變率再次下降。 我的意思是，能夠比別人更快地進化，這是有優勢的。 但如果突變率過高，後代就會攜帶過多的有害突變。 但或許所有發現中最令人驚訝的是，什麼事情並沒有發生。 我以為他們的心電圖已經變平了，這種看法後來被證明完全錯誤。 我原本想像過一個非常簡單的數學模型。 你可以創造出所謂的矩形雙曲線，我想。 其初始斜率較高，然後趨近於漸近線。 但它們同樣是簡單的模型。 有一個模型也只包含兩個參數，稱為冪律模型。 這表示事情會放慢，但並沒有上限。 它只說繼續走下去，永無止境。 事情將持續加速，但進一步改善的速度會越來越慢。 結果發現，這個模型確實符合我們的數據。 比我想像中的原始模型還要好。 不僅如此，它還更契合，好吧，你提到統計學、科學， 你知道嗎，擬合曲線其實能預測未來。 這才是真正酷的地方，因為原始模型原本就 如果你提供我們的適應度數據，僅僅5,000代的數據量 並要求它預測未來， 它說漸近線在這裡。 但當我們獲得更多數據時，不，細菌在這裡上面。 他們已經越過了那個漸近線。 然而，這個幂律模型指出事物正在減緩。 但永遠無法達到漸近線， 我們只給它過去數據的十分之一 並且能精確地投射到五萬英里遠 甚至在我們上次查看時，已經達到了六萬代。 它預測了進化路徑的某種未來走向。 對我來說，這有點深遠。 而且它在某種程度上改變了我看待這個實驗的方式 甚至是我對地球上生命的看法，也稍微有些不同了。 我的意思是，地球上的生命並沒有停止演化。 我們知道。 而且我們知道，但我們認為那是， 哦，那是因為它們是小行星撞擊造成的。 這是因為人類的影響。 那是因為它們是攻擊宿主的病毒。 而共同演化正使得演化永不停歇。 世界總是在變動。 因此，進化當然不會停止。 這完全是真實的。 但我們的實驗表明 即使在環境沒有改變的情況下， 有如此多機會，其規模越來越小。 繼續進步 事實上，進步可能永遠不會停止 即使在恆定的環境中。 對我來說，這正是繼續進行此實驗的原因之一。 這個模型是否繼續進行預測 未來健身趨勢的展開？