一个漫长的大实验
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这里要介绍的实验是Lenski实验室大名鼎鼎的大肠杆菌长期培育实验.其实这个实验早有吧友介绍过了@xxl4457 (不好意思你又撞我枪口上了:P)有兴趣的话可以去看看他的原帖”诞生在实验室的新种生物——E.coli长期培育”
>>剧透: 他的帖子里还专门有一段反驳”宿命””注定”的内容, 相当精彩<<
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Lenski他们家从1988年开始做了这么一个实验:他们把一模一样(通过克隆得到)的大肠杆菌(E.coli) 分装在了12个培养瓶里面, 12个培养瓶里是一模一样的培养基, 然后持续观察, 这一观察就是二十多年(到今天还在继续…)
在提供给大肠杆菌的培养基里他们故意提供了相对少的葡萄糖,想要看看这些细菌会进化出怎样的高效代谢葡萄糖的能力.
也许是为了方便监测污染,他们还在培养基里额外添加了柠檬酸盐(含量为葡萄糖的10多倍). 因为在有氧情况下大肠杆菌是无法代谢柠檬酸盐的,所以如果有能分解柠檬酸盐的杂菌污染了培养基,会很快被注意到.
而恰恰就是这额外的柠檬酸盐,带来了一个非常有趣的新发现:在培养了3万多代之后, 有一株奇葩的大肠杆菌居然进化出了有氧代谢柠檬酸盐的能力!要知道”有氧情况下无法代谢柠檬酸盐”可是常常用来鉴别大肠杆菌vs其他细菌的标准啊!
于是问题就来了,在Lenski他们设计的这个特定环境里,大肠杆菌进化出”有氧条件下代谢柠檬酸盐”的能力是注定会出现的吗?还是说这只是一个单纯的巧合,偶然的”奇迹”?
Ref:
Blount, Zachary D., Christina Z. Borland, and Richard E.Lenski. "Historical contingency and the evolution of a key innovation inan experimental population of Escherichia coli." Proceedings of theNational Academy of Sciences 105.23 (2008): 7899-7906. Doi:10.1073/pnas.0803151105

小结
我们从这个故事里学到了什么呢?
首先,进化当然不是完全注定的.不然的话每一个瓶子里的大肠杆菌都应该陆续进化出”有氧分解柠檬酸盐这个超能力”, 而事实是至今为止仍然没有出现第二个例子. (这里说的是原本那个长期观察实验,而不是”进化史重放实验”)
但同时进化显然也不完全是偶然的/随机的. 在科学家已经通过”进化史重放实验”确认了干劲满满·克隆比普通大肠杆菌更有可能进化出”有氧分解柠檬酸盐这个超能力”的时候, 就不禁让人去思考, 进化出这个超能力的概率究竟能被放大到什么程度?
如果单看他们的”进化史重放实验”, 三次实验共重复了3212次(replicates),在此之中超能力独立出现了17次. 所以成功率在0.5%左右. 但这是同时包括了干劲满满·克隆和普通祖先一起进行的实验. 如果有办法只挑出干劲满满·克隆来做这个重现实验, 这个概率应该可以提高很多.
再者,Lenski他们是每500代取样保存, 如果每一代都取样保存的话,会不会在进化出”有氧分解柠檬酸盐这个超能力”之前的那一代发现”超级干劲满满·克隆”,他们比干劲满满·克隆更有可能进化出”有氧分解柠檬酸盐这个超能力”? 会不会达到十有八九会进化出超能力的程度?
而另一方面,一个更有意思的问题是, 如果我们给这些大肠杆菌足够长的时间进化, 是不是另外11个培养瓶里的大肠杆菌也同样会进化出”有氧分解柠檬酸盐这个超能力”? 换句话说, 在一模一样的环境下, 自然选择是不是最终都会造就同样的进化结果? 长期并且稳定的自然选择有没有可能让某些性状”注定”出现?