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[交流] 科学家将进化史"装进瓶子"

科学家将进化史"装进瓶子"

生物360 2013-12-30 18:02 跟贴 241条
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  《科学》杂志报道,生物学家Richard Lenski用了25年的时间来研究细菌的进化问题,他用大量的试验证实了突变与选择对生物的塑造作用。25年中,他繁殖了58000代细菌,积攒了4000瓶细菌样本,包括最初一代的和最新的一代。可以说,他是将进化史“装进瓶子”的男人。



  大部分生物学家都希望了解进化的本质,他们想尽了各种办法,有的去研究化石、 有的深入大自然寻找线索,可Richard Lenski 和他们都不一样,他的方法是穿过美国密歇 根州立大学(Michigan State University)校 园,到他实验室的冰箱里寻找答案。在他的冰箱里储存了4000个玻璃瓶,这些是他从1988 年就开始收藏的细菌标本,这就是他的全部宝 藏。就在1988年,Lenski开始了一个简单, 但却是非常基础的试验工作。他的试验是这样 的,将大肠杆菌(Escherichia coli)放入糖 溶液中,然后塞住瓶口,试验就完成了,接下 来的工作就是等着看究竟会发生些什么。这项 研究根本就没有一个预计的终点,所以他也没 有花太大的精力为这项研究争取科研经费,因 为谁都知道这个工作的未知性(风险)太大。

  25年之后,Lenski已经攒下了5.8万个这 样的小瓶子,他培养的这些细菌还在不停地 生长、突变及进化着。这项工作的意义也得 到了体现,该项目对Stephen Jay Gould的软 体动物(mollusks)进化研究工作起到了很好 的补充作用。Lenski这种简单的细菌实验已经 证实了很多问题,比如多个微小的突变如何为 将来的巨大改变打下基础?新的物种是如何产 生,又是如何分化的?而且同时为Gould平反 了,因为当初Gould宣称如果再给一次进化的 机会,生物的进化很有可能会朝着另外一个方 向进行下去,可是所有人都认为他错了。最 近,这些细菌又证实了另外一点,进化从未停 止,哪怕环境是一成不变的,进化也不会停下 自己的脚步,这一点与很多生物学家的认识都 有冲突。美国纽约Stony Brook大学(Stony Brook University in New York)的进化生物 学家Douglas Futuyma这样评价道:“这项工 作绝对是一个了不起的工作,取得了令人瞩目 的成就。”

  还有一些科研人员也在从事试验进化 (experimental evolution)方面的工作,他 们也在实验室里受控的条件下培育了大量的昆虫、酵母,甚至还有鱼,也曾经让这些实验动 物接触过短时间的环境压力。但是还没有人 像Lenski这样进行过这么长时间的试验进化研 究,用Futuyma的话来说就是,Lenski的工作 要比其他人的工作高出好几个数量级。

  这项已经持续了四分之一世纪的研究工 作见证了生物信息学的兴起,也见证了全基因 组测序技术的诞生,Lenski当然也没有错过这 些机会,他也在研究工作中借助了这两项技 术的力量。一代又一代的学生都在照料这些 细菌,也都在分析这些微生物,不过这项工 作也让Lenski和神创论者产生了一场具有历史 意义的冲突。15年前,Lenski差一点就因为 数字进化模型而放弃了他的研究工作,直到 后来他的这些细菌出现了一次非常明显的进 化,他才重新恢复了信心。正如美国哈佛大学 (Harvard University)的进化生物学家Scott Edwards在今年6月召开的进化大会上评价的 那样:“Rich发现的进化规律深深地触动了 我们每一个人,也让我们明白应该用一种全新 的眼光去看待进化问题。”



  坚实的数据

  现年 57岁的 Lenski一直都是麦克阿瑟(MacArthur)样的人,他是好几个杂志的编委,是一个社团的领袖,也是美国科学院(National Academy of Sciences)的成员,同时也是转基因物种评价委员会的委员,还参加了2001年美国炭疽恐怖袭击(anthrax attacks)的调查工作。今年8月,Lenski又爱上了推特,也在网上开了一个个人博客,博客的名字是“Telliamed Revisited”。这个名字源于一本写于18世纪的书,在这本书里强调了应该通过仔细的观察,而不是宗教教条去认识世界。Lenski还热衷于收集古老的科学文献和棒球统计资料,不过最近他也说过:“我的孙女是我最近的爱好。”

  虽然Lenski有这么多爱好,但是有一件事情总是能够吸引他的注意力。他的研究生 Michael Wiser就介绍说,只要拿一些新鲜的数据站到Lenski的门口,他就会像一个5岁的孩子看到圣诞节礼物时那么高兴。这种对进化数据的热爱和渴望就是驱使他开展细菌研究的原动力。Lenski从来没有上过微生物学的课程,作为一名美国北卡罗莱纳大学教堂山分校(University of North Carolina, Chapel Hill)毕业的研究生,他只学过地甲虫生态学,这项工作他也觉得很有趣,但是兴趣还不算太大。今年8月,Lenski在博客里这样写道——很难想出这样简单的一个试验,能够这么容易地验证让我如此着迷的科学假设。Lenski在1982年做了博士后,当时他改变了研究方向,进入了Bruce Levin的实验室,Levin是当时少有的几位从事微生物进化实验研究的科学家之一。他们一起对细菌与噬菌体(bacteriophages)这种病毒之间的相互作用开展了研究。但是他们的试验系统太复杂了,所以不能回答Lenski最感兴趣的一个问题——Gould关于进化是不可复制的理论正确吗?或者说如果再给一次机会,是不是就可以重复一次进化历程呢?

  后来 Lenski终于在加州大学尔湾分校(University of California, Irvine)有了一间属于自己的实验室,于是他利用获得的美国国家科学基金总统青年科研人员大奖(National Science Foundation Presidential Young Investigator Award)的奖金自己建立了一套简单的研究系统,只利用细菌进行科学研究。 “这就好像是一个物理学试验,你试着去除掉所有不相关的因素,只针对自己感兴趣的现象进行研究。” Lenski的博士后,物理学家 Noah Ribeck这样评价这套体系。

  1988年,Lenski做了一次试验,他将大肠杆菌放入了12个培养瓶,瓶里装的除了普通的液体培养基之外,还有浓度达到25mg/ L的葡萄糖。然后将这些培养瓶放入37℃恒温震荡摇床里培养,每隔24个小时,细菌都会爆炸式地增长,同时会大量消耗葡萄糖。 Lenski每天都会从培养瓶中挑出1%的细菌,接种到一个新的、含有葡萄糖的固体培养平板里。这样大约75天左右就可以得到500代的大肠杆菌,然后Lenski等人会将这些细菌冻存起来备用。就这样日复一日、年复一年、毫不间断地一直持续了25年。其中只有一次短暂的中断,那是因为在一次寒假,Lenski把实验室搬到了密歇根。

  Lenski认为,建立这样一套试验系统,并且一直坚持下去是需要很大的毅力和前瞻性的。之前,质疑者都认为细菌的进化,尤其是让细菌在一个稳定、舒适的环境中生长,这样的试验不可能反映自然界里真实的进化情况。可是质疑归质疑,Lenski还是继续着他们的研究,而且他们也在对培养基进行监测,通过这种监测他们发现了一个非常类似于有着正向加速度的进化历程。由于使用的试验材料是细菌,而不是其它生长周期很长的生物,所以大大节约了时间。大肠杆菌每天可以繁殖6.6代,而小鼠要用1年多的时间才能繁殖这么多次。Lenski这25年的细菌试验等于人类数百万年的进化历程。“这样就可以对整个假设进行检验,而这在以前是根本不可能做到的。”加拿大麦吉尔大学(McGill University in Montreal, Canada)的进化生物学家Graham Bell这样评价道。

  只需要拿出一瓶冻存的细菌解冻、复苏, Lenski就可以随时了解进化过程中任何一个时间点上的情况。“这就是一份完美、完备的化石记录。可以精确地找出某个性状是在什么时候出现的。”蒙大拿大学(University of Montana in Missoula)的进化生物学家 Douglas Emlen赞叹道。而且Lenski还可以用任意一瓶细菌重新开始试验,看看这个进化过程是否可以重复。Lenski之前的博士后,现在是美国哈佛大学(Harvard University)微生物学家的Christopher Marx进一步介绍说,今天,一名22岁的研究生也可以使用这些在他出生之前就已经存在的细菌开展试验,并且可以用最新的技术对这些细菌进行研究。

  在研究开展的头十年里,事情一直进行得非常顺利。科研人员们一直在监测细菌的适应度,他们的方法就是比较最新的细菌与最老的细菌的繁殖扩增速度。最开始,细菌的适应性增长得非常快,可是之后这个速度就渐渐地慢了下来。纵观整个25年时间的试验,细菌的适应性整体提高了70%,这也就是说最近这一代细菌的倍增速度要比第一批细菌快了1.7倍。

  所有 12瓶试验菌差不多全都得到了同样的试验结果,这说明进化是可复制的(Science, 25 June 1999, p. 2108)。但是有一些细菌的生长速度会变得更快一些,对这些细菌进行遗传分析之后发现,它们彼此之间选择了不同的进化途径。比如有六种细菌出现了DNA修复机制缺陷,不过它们并没有因此而死亡,只是变得比其它细菌的突变率更高了而已。美国密歇根州立大学(Michigan State University)的进化生物学家Janette Boughman解释说:“根据历史经验来看,越早出现的突变,就越能改变后来的进化方向。但是最终得到的结果却都是一样的,所有的细菌都适应了有葡萄糖存在的环境。”

  这些细菌还进化出了其它的差异。大约在试验开始后的第3年,已经繁殖到了第6500代细菌,此时在一个培养皿里进化出了两种大肠杆菌,其中一种细菌形成的克隆比较小,细菌的体积相对也比较小,另外一种不论是细菌的体积还是形成的克隆都比较大。Lenski希望最终这两种细菌里只有一种能够胜出,生存下去,或者这两种细菌都被另外一种适应性更强的突变株取代。但是出乎他预料的是,这两种细菌全都存活下来,形成了一个小型的生态系统,两种细菌彼此之间既存在竞争也存在相互作用,竟然和平共处下来。“它们创造出了它们自己的Galápagos岛。” Marx这样评价道。

  数字化试验

  随着数字化技术的兴起,Lenski差一点就放弃了他的培养皿试验工作。因为他发现了一种更简便、更快速的试验进化系统。据美国耶鲁大学(Yale University)的进化生物学家,过去曾经是Lenski学生的Paul Turner介绍, Lenski是一个非常敏锐的、客观的研究者,如果有一样东西是值得追求的,那么他一定不会轻易放手。比如有一位物理系的同事就曾经邀请Lenski参加加州理工学院的物理学家 Christoph Adami举办的学术交流会。Adami和他的研究生Charles Ofria一起开发了一个能够自我复制的计算机软件——“aka数字化生命体(aka digital organisms)”。这个程序原本是为了提高计算机的运算能力,开发计算机新功能而设计的,可是Lenski一下子就被它吸引住了,他回忆说:“Adami展示的第一张数据看上去就和做了很久的试验才得到的数据差不多。”

  1998年,Adami给Lenski寄了一本由他撰写的《人工生命简介》(Introduction to Artificial Life)(该书介绍详见Science , 8 May 1998, p. 849)。Lenski花了两个晚上一口气读完了这本书,并且尝试仿照这套程序自己开发了另外一套程序。这套数字化试验系统的复制速度要比他的大肠杆菌快好几千倍,而且可以更细致地追踪突变信息。于是在接下来的6年里,Lenski除了进行大肠杆菌试验之外,还用了同样的精力关注他的计算机模拟程序。

  2003年,Lenski与Ofria和Adami,以及哲学家Robert T. Pennock一起组成了课题小组,开始对一个个的突变进行跟踪,研究计算机程序除了复制进化历程之外,究竟能完成哪些工作,能否完成复杂的工作,比如验证一个数字串是否等于另一个数字串等。他们发现,很多早先出现的突变(其中有一些突变在短期内是有害的)都必须先积累到一定的程度,直到出现某一个决定性的突变,才会进化出一个新的性状。这项研究工作证实,像脊椎动物的眼睛这样复杂的性状很有可能是经过了一系列的中间步骤,才最终形成的。

  数字化研究丝毫没有减弱Lenski的学术影响力。2010年,他与Ofria以及其他一些人一起获得了BEACON的资助。BEACON是美国科学基金中心专门设立的一个进化研究项目(Study of Evolution in Action),美国5所大学的400多名科研人员都参加了这个项目,他们的工作就是对活生生的生物,以及数字化生物的进化过程开展研究。



  值得庆幸的是,Lenski没有放弃最初的细菌实验工作。就在发现数字化生命体程序的那个周末,Lenski告诉他的妻子,他打算终止这个持续了十几年的试验工作。但是他的妻子仍然让他坚持下去。2003年1月,这项漫长的研究工作终于显露出了它应有的价值。“计算机程序的好处是你可以得到与试验相关的所有信息,细菌试验则要更加复杂一些,但是细菌更加‘诡计多端’,所以细菌也会有很多让我们预想不到的进化方向。” Lenski这样评价道。

  一天清晨,Lenski等人注意到有一个培养瓶里的培养基变浑浊了,这说明里面的细菌长得非常多。他们怀疑可能是出现了细菌污染,但是还不能确定。于是他们调出了最近的一批冻存细菌Ara-3,重新进行了试验。3个星期之后,培养基又变浑浊了。这一次他们彻底进行了检测,排除了污染的可能。然后他们又用各种不同的培养基来培养Ara-3细菌,结果发现这种细菌已经进化出了一种新的滋养模式。它们不再需要稀少的葡萄糖来生长,它们可以依靠培养基里的另外一种成分——柠檬酸盐(citrate)来供能,所以这种细菌能够生长得更好,菌体密度更大,因此会使培养基变得浑浊。“这是整个大肠杆菌试验里最重要的一件事。没有任何明显的影响因素,就可以使大肠杆菌进化出一种非常复杂的新功能,这是一件非常重要,也是非常值得大家关注的事情。” Adami评价道。

  现在,研究生Zachary Blount接手了这个项目,他将告诉我们大肠杆菌都发生了哪些改变。这种适应能力是一个突变造成的吗?如果真是一个突变导致的,为什么不能早点发生呢?要知道这么长的时间足够大肠杆菌里每一个基因都突变一次了。如果是多个突变共同造成的结果,那么是在什么时候开始出现第一个突变的?每一个突变之间的先后顺序又是怎样的?为了找到这些问题的答案,Blount又重复了一遍试验。他解冻了早期的细菌样品,然后用同样的培养基又培养了一次,希望重复出细菌的进化历程。结果在72个培养瓶中有4个瓶的细菌表现出了利用柠檬酸盐的特性,而这4瓶细菌全都是来自增殖代数较高的细菌。这说明这种新特性应该是多个突变共同作用的结果。代数较高的细菌已经积累了足够多的突变,所以能够实现从量变到质变的飞跃。

  Blount和Lenski的试验结果在2008年一经发表就引起了大家的关注,而且不仅仅是学术界关注他们的科研成果,大众媒体也表现出了极大的兴趣。保守的Christian Andrew Schlafly在他的博客Conservapedia上对这个科学结论表示了质疑,他不认为细菌能够进化出一种新技能,并且要求Lenski公布原始的试验数据。Lenski提交了原始的论文,但是 Schlafly还是坚持他的观点。于是Lenski写了一封言辞犀利的评论作为回应。“他一夜之间就成了我们科研界的摇滚明星。” Adami这样评价道。

  与此同时,柠檬酸盐的工作也还在继续着。由于微生物全基因组测序的费用大幅度下降,所以Blount终于能够明确地了解到这些细菌究竟发生了哪些突变。他发现在这些能够利用柠檬酸盐的细菌基因组里有一段2933bp的 DNA片段出现了重复,从而激活了一个原本沉默的基因,该基因的编码产物就是柠檬酸盐转运子。之后的遗传突变又进一步增强了这个转运子的转运效率。Blount和Lenski在2012年发表文章公布了这一发现。

  这些能够利用柠檬酸盐的大肠杆菌让已经是实验室里博士后的Blount和Lenski能够对另外一个进化问题开展研究——那就是如何进化出一个新物种。我们通常都只会对每一个单独的品种进行检测,这是因为不同的品种彼此之间很难成功杂交,但是这一规则不适用于细菌,因为细菌是无性繁殖的。不过由于大肠杆菌的特性之一就是在有氧环境下不能利用柠檬酸盐,所以这种新出现的、在有氧环境下能够利用柠檬酸盐的细菌就可以被称作是一个新的品种。它们甚至符合传统的新品种的定义。我们不能对细菌进行杂交,但是可以将不同细菌的基因组混合在一起。Lenski今年6月在一个进化讨论会上介绍,这些可以利用柠檬酸盐的细菌基本不能依靠葡萄糖生存,将这些细菌与它们的“父辈”菌混合在一起能够得到一种适应度稍差的杂交菌。



  永无终点的进化

  现在,Lenski已经不再考虑什么时候中断他的细菌试验了,他说:“现实情况已经越来越明显,短期的试验没什么意义。任何一个有足够人力的微生物实验室都应该规划一个为期 20年的长期试验项目。”资金管理人也同意这个观点。这个曾经一度被美国国立健康研究院(NIH)拒绝过的项目现在也已获得了美国科学基金会的青睐,获得了一个为期十年的环境生物学研究基金。

  长时间的坚持也得到了回报,Lenski、 Wiser、 Ribeck等人本周又在《科学》(Science)杂志网络版上发表了一篇文章(http://scim.ag/MWiser)。科学家一直都认为一旦生物体遇上了新鲜的环境,就一定会在第一时间很快地适应,然后只要环境因素一直保持稳定,就可以达成一个适应状态(adapted state)。当达到适应的顶峰之后,适应性进化就会停止。Wiser已经对12瓶细菌的适应性都进行了检测,涵盖了整个进化历程中的41个时间点。经过5年,大约繁殖了1万代之后,细菌似乎已经达到了适应的顶点。但是现在Lenski团队发现,经过了5万代的增殖,虽然细菌进化的速度有所减缓,但是并没有像我们预期的那样完全停滞下来。“进化顶点的提法要比我预期的更难以捉摸。我认为适应性进化可能会一直持续好几百万年。即便在一个稳定的环境中,进化似乎也是永远不会停止的。”Lenski这样认为。Boughman对此评价道: “这是一个非常有见地的看法。”

  这对Lenski已经传了58500代的细菌研究来说是一个非常好的预兆。Lenski介绍说: “如果你在20年前问我们要不要这么干,我想大家肯定都会说‘不’,宁愿选择去干其他的事情。”他又说道:“可到了现在,我觉主席发言时这样说道:“如果你们听说有谁想得肯定都会毫不犹豫地继续干下去。”Lenski做一个数百万年的试验,一定要让那个人联系最近在一个进化大会上担任会议主席,他在做我。”


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  拓展阅读:

  Szostak 是美国哈佛大学和美国麻省综合医院的分子生物学家,他想要自己调配一份“原始肉汤”,看看能不能从中诞生生命,是否可以让这些小分子自动组装出基因,并且不断复制,重现达尔文进化论里描述的生命最初的景象。即,在他的实验室里重现生命起源的过程。
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