實(shí)驗(yàn)室里的大腸桿菌進(jìn)化實(shí)驗(yàn)

吳平華

(華中科技大學(xué)附屬中學(xué) 武漢 430000)

生物進(jìn)化作為事實(shí)，已經(jīng)被古生物學(xué)、比較解剖學(xué)、胚胎學(xué)等生物分支學(xué)科所證實(shí)，但由于生物進(jìn)化時(shí)間極其漫長(zhǎng)，人們很難直接觀察、記錄自然界中生物進(jìn)化的機(jī)理和過(guò)程，故只能通過(guò)觀察進(jìn)化的現(xiàn)象和結(jié)果加以推測(cè)。

那么，能否在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)計(jì)出科學(xué)的進(jìn)化實(shí)驗(yàn)來(lái)揭示進(jìn)化機(jī)理呢？1988年，美國(guó)密歇根州立大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家理查德·倫斯基(Richard Lenski)以大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)了一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室里長(zhǎng)久運(yùn)行的進(jìn)化實(shí)驗(yàn)[1]。

1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 實(shí)驗(yàn)選材 倫斯基以大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，原因是大腸桿菌的繁殖周期短，可以極大地節(jié)省整個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。大腸桿菌在營(yíng)養(yǎng)充足、培養(yǎng)條件適宜、無(wú)天敵的理想條件下，約20min繁殖一代。在倫斯基設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件下，大腸桿菌每天繁殖約6.6代。自1988年實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)至今，其大腸桿菌已經(jīng)繁殖了6萬(wàn)多代。若以一年繁殖一代的生物為研究對(duì)象，則需要6萬(wàn)多年才能繁殖這么多次，如果是人類則需要一百多萬(wàn)年的漫長(zhǎng)歲月。

1.2 大腸桿菌培養(yǎng)基 倫斯基根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，對(duì)細(xì)菌普通培養(yǎng)基的成分進(jìn)行了調(diào)整： ①以微量葡萄糖作為大腸桿菌的能源物質(zhì)。葡萄糖的濃度為25mg/L,僅為細(xì)菌普通培養(yǎng)基中葡萄糖含量的1%，目的是觀察大腸桿菌會(huì)進(jìn)化出怎樣的高效代謝葡萄糖的能力。②培養(yǎng)基中額外添加了大量的檸檬酸鹽，其含量達(dá)到葡萄糖濃度的十多倍。加入檸檬酸鹽的目的是為了方便監(jiān)測(cè)大腸桿菌在培養(yǎng)過(guò)程中是否被雜菌污染。因?yàn)樵谟醒鯒l件下，大腸桿菌不能代謝檸檬酸鹽。若有雜菌污染，檸檬酸鹽會(huì)被分解，從而被觀測(cè)到。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 倫斯基將單個(gè)大腸桿菌加以繁殖，然后接種于12瓶培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，從而形成12個(gè)遺傳基因完全相同的菌株。這12個(gè)瓶子對(duì)這些大腸桿菌來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于12個(gè)完全彼此獨(dú)立的世界。大腸桿菌利用瓶中的資源進(jìn)行生長(zhǎng)、繁殖。隨著瓶中葡萄糖的逐漸消耗，大腸桿菌的生長(zhǎng)、繁殖便逐漸減慢以至停止，24h后大腸桿菌的種群密度基本趨于一個(gè)穩(wěn)定的常數(shù)值。此后的每一天，12個(gè)菌株每天每瓶被取出1%，分別接種至12瓶新的、相同的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。每隔75d，大腸桿菌繁殖約500代，菌株樣本便被冷凍保存起來(lái)。這樣就創(chuàng)建了一個(gè)完備的人工“化石記錄”，使研究者能夠追溯或重演大腸桿菌的進(jìn)化歷程。

實(shí)驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行至今，積累的冷藏樣本已經(jīng)超過(guò)4000瓶。這些樣本包括實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的菌株以及最近的菌株。

2 實(shí)驗(yàn)成果

到目前為止，倫斯基團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)表論文50多篇。其成果主要有：

2.1 讓人們見(jiàn)證了細(xì)菌新品種的誕生 大腸桿菌在繁殖約3.15萬(wàn)代時(shí)，12個(gè)菌株中的一個(gè)菌株進(jìn)化出了以檸檬酸鹽為食的超能力，這種突變的意義巨大。人們更感興趣的是，食檸檬酸鹽“超能力”的進(jìn)化機(jī)理是什么？

倫斯基團(tuán)隊(duì)用冷藏的樣本重演了進(jìn)化歷程。結(jié)果顯示大腸桿菌在2萬(wàn)代或更早時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生變異。變異再經(jīng)過(guò)1.15萬(wàn)代的積累,最終才進(jìn)化出食檸檬酸鹽的“超能力”。

隨著基因測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，倫斯基及時(shí)將基因測(cè)序手段引入到實(shí)驗(yàn)中。目前，倫斯基團(tuán)隊(duì)測(cè)定了來(lái)自12個(gè)菌株的264個(gè)完整的基因組DNA序列，通過(guò)對(duì)比分析，終于揭示了食檸檬酸鹽的進(jìn)化機(jī)理[2]： 在原始菌株的基因組中，檸檬酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)子基因(citratefermentation，簡(jiǎn)稱citT)與相關(guān)基因citG、ma、mk呈線性排列(圖1)。

在有氧條件下citT不表達(dá)。而突變菌株的基因組中有一段2933bp的DNA片段出現(xiàn)了重復(fù)，使citG、citT、ma和部分的mk發(fā)生了倍增(圖2)。尤其關(guān)鍵的是：mk插在citT之前的同時(shí)，mk的啟動(dòng)子取代了citT的啟動(dòng)子，使citT由沉默狀態(tài)變成可表達(dá)狀態(tài)，而citT的表達(dá)產(chǎn)物就是運(yùn)輸檸檬酸鹽的載體蛋白質(zhì)——檸檬酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)子，其功能是將檸檬酸鹽運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)。之后的變異進(jìn)一步增強(qiáng)了該轉(zhuǎn)運(yùn)子的運(yùn)輸效率，最終食檸檬酸鹽的菌株便出現(xiàn)了。

2.2 證實(shí)生物的進(jìn)化永遠(yuǎn)不會(huì)停滯 起初，科學(xué)家推測(cè)，只要環(huán)境因素保持穩(wěn)定不變，生物就能形成一個(gè)適應(yīng)狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到適應(yīng)的頂峰后，生物的進(jìn)化就會(huì)停止。倫斯基團(tuán)隊(duì)對(duì)12個(gè)菌株的適應(yīng)性都進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)涵蓋了整個(gè)進(jìn)化歷程的所有時(shí)間點(diǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在繁殖約1萬(wàn)代時(shí)，大腸桿菌似乎達(dá)到了適應(yīng)的頂峰。然而經(jīng)過(guò)多達(dá)5萬(wàn)代的增殖，雖然大腸桿菌進(jìn)化的速度有所減緩，但并未如人們預(yù)期的那樣停滯下來(lái)。這說(shuō)明即使在一個(gè)穩(wěn)定不變的環(huán)境中，生物的進(jìn)化也永遠(yuǎn)不會(huì)停滯。

2.3 證實(shí)古爾德的生物進(jìn)化觀點(diǎn)是正確的 史蒂芬·古爾德(Stephen Jay Gould)是美國(guó)著名的古生物學(xué)家、科普作家。他在研究軟體動(dòng)物進(jìn)化時(shí)提出了進(jìn)化是不可復(fù)制的理論： 如果再給一次進(jìn)化的機(jī)會(huì)，生物的進(jìn)化會(huì)朝另外的方向進(jìn)行。當(dāng)時(shí)，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為他的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。而倫斯基一直都對(duì)該理論持有很高的興趣。倫斯基的進(jìn)化實(shí)驗(yàn)顯示，12個(gè)菌株的進(jìn)化具有共同的趨勢(shì)： 都進(jìn)化出了更大的細(xì)胞、更快的生長(zhǎng)速度和較低的種群密度峰值。這似乎說(shuō)明進(jìn)化是可復(fù)制的，但其實(shí)這是相同的環(huán)境條件導(dǎo)致趨同進(jìn)化的結(jié)果。

例如，魚(yú)類、鯨類適應(yīng)水生環(huán)境，雖然都進(jìn)化形成了相同的體型、鰭、尾等，但它們的進(jìn)化歷程肯定是不同的。倫斯基檢測(cè)了12個(gè)菌株的多達(dá)1.4萬(wàn)個(gè)基因突變，結(jié)果顯示： 每個(gè)菌株的變異頻率都不相同，每個(gè)菌株的變異方式也不相同。例如，其中只有一個(gè)菌株產(chǎn)生了在有氧條件下代謝檸檬酸鹽的超能力變異,而其他11個(gè)菌株則沒(méi)有出現(xiàn)此種能力。

這足以證明古爾德的理論是正確性的，進(jìn)化的確是不可復(fù)制的。

3 實(shí)驗(yàn)爭(zhēng)鳴

倫斯基的進(jìn)化實(shí)驗(yàn)引發(fā)的爭(zhēng)議主要有以下兩個(gè)方面。

3.1 進(jìn)化是注定的還是偶然的 12個(gè)菌株的初始基因是相同的。經(jīng)歷長(zhǎng)期的進(jìn)化，最終只有1個(gè)菌株進(jìn)化出代謝檸檬酸鹽的超能力，說(shuō)明各個(gè)菌株進(jìn)化的歷程是不相同的。即進(jìn)化是偶然的而非注定的。

倫斯基選取有氧代謝檸檬酸鹽菌株的祖先進(jìn)行進(jìn)化史的重演實(shí)驗(yàn)，結(jié)果為： 0～15000代祖先無(wú)一例成功，20000～30000代祖先有4例成功，30500～32500代祖先有13例成功。

結(jié)果表明，越是遙遠(yuǎn)的祖先，進(jìn)化成功的可能性越低，而越是年輕的祖先，進(jìn)化成功的可能性越高。這說(shuō)明進(jìn)化出有氧代謝檸檬酸鹽的能力并非是一個(gè)單純的、幸運(yùn)的突變，而是需要一定的變異累積。故進(jìn)化也不完全是偶然的。

3.2 大腸桿菌的進(jìn)化模式是否適用于其他物種的生物 有學(xué)者懷疑別的物種也有與大腸桿菌相似的進(jìn)化模式。已經(jīng)有研究者以酵母菌等進(jìn)行了類似的進(jìn)化實(shí)驗(yàn)，但由于其工作量較倫斯基低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故無(wú)法提供足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)這種懷疑予以證實(shí)。

4 實(shí)驗(yàn)啟示

倫斯基的實(shí)驗(yàn)自1988年啟動(dòng)，一直默默無(wú)聞地持續(xù)進(jìn)行著，近30年的不懈努力，研究終于有所突破。倫斯基的進(jìn)化實(shí)驗(yàn)啟示我們： 只有拋棄急功近利的短視思維，努力地工作、默默地求索，才有可能在科研上取得些許進(jìn)步和成果。