教学思考：理解微生物的繁殖与演化
学术
2024-09-09 09:51
北京
微生物的的五大共性之一是生长旺繁殖快。到底有多快？以大肠杆菌为例，在适宜的条件下，细胞分裂1次需要12-20 min左右。如果在理想条件下，按照20 min一代计算，一天24 h大肠杆菌理论上可以分裂72代。72代是什么概念？人类如果按照25岁一代的话，72代是1800年。中华上下五千年（200代），对于理想状态下的大肠杆菌来说，需要2.8天。当然，由于营养、空间和代谢产物和生存环境的限制与恶化，微生物不可能无限制疯狂生长，上帝欲其灭亡（衰亡期）必先令其疯狂（加速期）。微生物基因简单，头脑发达，在快速繁殖的过程中，自发突变不可避免，加之环境的刺激与诱导，我们就可以利用微生物来进行演化的研究。虽然变异频率低（10-10~10-5），但是微生物细胞数目多，变异的后代也就络绎不绝。微生物的变异是把双刃剑，既可以用来筛选生物发酵用的高产菌株，也会导致耐药菌和变异病毒的出现。提到微生物演化，Richard Lenski是不可不提的学术大咖。1988年2月24日，Richard Lenski开启了一项简单、经典且延续至今的实验：他将同一个大肠杆菌细胞分别接种至12个瓶中，在完全相同的条件下进行培养，每24 h传代一次（0.1 mL接种到9.9 mL培养基），这样大约每天大肠杆菌生长6.7代，75天500代。实验过程中每几个月就将一部分的细菌样本冷冻保存以随时拿出来研究。实验至今已有36年，目前已经超过75000代（应该有80000代）。该实验是微生物领域的经典案例，LTEE （E. coli long-term evolution experiment）实验为研究基因组的适应性进化提供了重要数据参考，Richard Lenski也被称为“将进化史装进瓶子里的人”。
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古生物学家Stephen J. Gould曾有过一个著名的猜想：如果我们能重放“生命的磁带”，会发生什么？生命的演化还会再走一次老路？还是每次倒带都会产生不同的结果？Lenski和他的合作者发现，随着时间的推移，这12个种群在进化轨迹上表现出惊人的相似性，越早出现的突变会改变演化方向，但最终殊途同归，也就是说，在相同的一般条件下，演化方式是可复制的。但，生命的多样性当然不会让我们的世界一成不变毫无生气。在12个种群中有一个进化出了能利用柠檬酸盐生长的能力，这是整个大肠杆菌试验里最重要的一件事，也引起了生物界的广泛关注。所以，进化会导致新现象新功能的出现，继续进化会导致新物种的出现吗？如果生命能够重来，也许我还是我，也许会经历不一样的焰火。那，你会怎么选？Zachary Blount
