世上最長的進化實驗 P1 - 中英字幕版

這些是細菌在逐漸濃縮的抗生素中生長。 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變異菌。 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 比一開始會殺死他們的還要多。 你正目睹進化在進行中。 我準備前往密歇根州，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·蘭斯基。 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推動這項工作。 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。 因此共有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，伊利諾大學的科學家們便持續對玉米進行選擇性育種， 但它們每年只有一代。 而這些細菌每天可繁殖六至七代。 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，將代表人類演化歷程中的一百五十萬年。 我們開始實驗的方法是將大量細菌群體進行稀釋。 放在培養皿上，每個個別細胞都會形成一個菌落。 於是我們從一個族群中取出一點，用來建立另一個族群。 一點來自另一個殖民地的物種，用來建立另一個族群。 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在重複的族群中看到相同的情況發生， 不是因為他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， 無論那會是什麼，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習慣的環境大不相同。 這要簡單得多。 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、檸檬酸以及幾種其他物質的混合物。 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一百倍。 通常，我們會認為世代是受經過的時間所限制的， 然而，對於這些細菌而言，它們的生長受到可用資源的限制。 如果他們的解決方案多10倍，他們的人數就會增加10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% 轉移至一個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與再次分裂所需的空間和資源。 將其數量增加一百倍，然後在第二天重複此過程。 然後是接下來的一天，再接下來的一天，即使在週末也是如此， 這個過程已經持續了三十多年。 那些沒有被轉移至新培養瓶的細菌，也就是那99%，會怎樣？ 那是高壓滅菌室。 在高壓滅菌室裡發生了什麼事？ 每天，99%的大腸桿菌都在這間可怕的房間裡喪生。 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營養液來生長。 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。 但到第13天時，實驗的體積將是地球的10倍。 到第42天時，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在於它們應當保持恆定。 而且突變要稀有。 是的。 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， 僅約百萬分之一或千萬分之一的細胞 甚至會出現單一突變。 所以那並不多。 相較之下，據估計，我們人類的每一個後代可能擁有 10、20、50 個新突變。 因此，細菌極其保守， 但在一個小小的試管中，也存在著數十億個。 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，在其中一個試管中，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差異，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 細菌在該特定環境中生長和繁榮的能力。 它們可能是那些在廣闊自然環境中才會產生影響的 requisite 突變。 但這是一個非常簡單的環境。 也許那些基因甚至根本沒有表現出來。 另一部分突變，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。 但每天發生的數百萬次突變中，或許有那麼一些 也許有十個，也許有一百個， 也許有上千個真的會改變細胞的狀態 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。 幸運的1%獲勝。 而且如果那幸運的1%中包括了前一天的其中一位男士 那增長速度比其他人快了10%。 它更有可能為下一個瓶裝酒做出貢獻。 第二天的瓶中液，以及新鮮的培養基， 而且它將以10%的速度持續更快地增長。 而且這種情況會以指數方式不斷加劇。 因此，當突變剛發生時，它們實際上非常罕見。 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。 但你如何確定細菌確實具有競爭優勢？ 我的意思是，你怎麼知道它們越來越適應環境了呢？ 這正是細菌獨特性質之一所在。 它們可以長時間凍結，然後再恢復生機。 因此它們被儲存在這裡的懸浮狀態中。 這些就是存放冷凍樣本的置物架 來自各代細菌的細菌。 每500代左右，約75天， 他們會冷凍每一個種群的樣本。 透過凍結前幾代人， 倫斯基和他的團隊擁有冰封的化石記錄。 因此，我們三十多年前的樣本至今仍保持完全的活性。 於是，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爭。 現今一代的細菌對抗 older generations 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。 將它與當代一代混合於一個瓶中。 然後將溶液樣本塗布於平板上 觀察兩個族群初始時相對的豐度。 然後他們將燒瓶孵化一天，再重新塗布。 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進化了的細菌和它的祖先呢？ 他們會向你揮舞小旗幟，說…… 嘿，我是進化過的人喔？ 當然不會。 但我們所擁有的是這個顏色標記嵌入實驗中 因此，我們在某種螺旋槳板上的六個菌株會形成紅色菌落。 其中六個形成白色菌落。 我們有一種祖先的變體，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 或是一白人演化族群對紅色始祖的對抗 我們可以區分它們。 在這種情況下，顯而易見的是，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？ 我們首先發現的，儘管根本沒有任何疑問， 但它卻是其中最直接的示範之一 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，變得越來越具競爭力。 這是在其他演化實驗中的一個常見觀察結果 在新環境中，進化便會迅速展開。 然後隨著時間推移逐漸減慢。 於是我們重複了那個觀察，我心想 長期線最終會在某個時刻幾乎趨於平直。 我其實曾考慮過中止這個實驗， 但我從同事和我妻子馬德琳那裡獲得了明智的建議， 讓我們繼續吧。 因此我答應了那件事。 而且他這麼做是件好事，因為在2003年， 細菌開始進行某件非凡的事。 十二個世系之一突然開始吞噬 第二種碳源，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， 無法做到那件事。 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。 有些細菌鑽了進去，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。 我們也開始檢查那些細菌 看看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 我覺得，好像有一天突然間醒來了， 攝取了葡萄糖，與其他任何譜系都不同， 發現有一款清爽的檸檬甜點很不錯 而且他們已經開始攝取那樣東西了 並獲得第二個碳源和能源。 扎克對這個問題感興趣。 好吧，為什麼它進化得這麼慢？ 而且為何只有一個種群演化出了這種能力？ 他走進了冷凍庫 而且他挑選了細菌的個體或克隆體 從那條血統中，最終演變出那項能力 然後他又試著再次發展那項能力， 從不同的點開始。 從某種意義上來說，幾乎就像 好吧，就像是倒带重来一樣。 讓我們回到電影的第五分鐘。 讓我們回到電影的第10分鐘。 電影開始後第20分鐘 並查看結果是否會因執行時間的不同而有所改變 因為這種檸檬酸鹽表現型， 基本上有兩種相互競爭的解釋 正因為如此，進化才會如此困難。 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了一個字母的情況。 那是一種可能需要你翻轉過來的情況 某段DNA 而且你必須恰好在這個斷點處停止 正好就是那個斷點 而且那是唯一可行的方法。 因此，這是一次罕見的事件， 但它可能在任何時刻發生。 另一種假設是， 其實，發生了一連串的事件。 這讓一件原本再平凡不過的事變得可能 那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。 長話短說， 原來這種特質的演化竟是如此困難 因為那兩個假設都是正確的。 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， 它們實際上數量减少了。 但每個個體細菌都變大了。 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之高， 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， 後代會有太多有害突變。 但或許所有發現中最令人驚訝的是，什麼事情並沒有發生。 我當時覺得他們的心電圖顯示平直了 結果證明這完全是假的。 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。 有一個模型也只有兩個參數 稱為功率定律模型，該模型指出事物會逐漸減慢。 但它沒有上界。 它只說繼續走下去，直到永恆。 事情將會持續加速進行下去， 但進一步改善的速度卻越來越慢。 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。 而且它不僅更合適。 好的，你說統計學、科學，你知道，曲線擬合， 它實際上預測了未來。 這才是真正酷的地方， 由於原始模型， 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。 但當我們獲得更多資料時， 不，細菌在上面。 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 並且能精確地延伸到五萬英里。 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 甚至對我看待地球上生命的方式也略有影響。 我的意思是，地球上的生命並沒有停止演化。 我們知道那樣，而且我們也知道， 但我們認為，哦，那是因為小行星撞擊的緣故， 這是因為人類的影響。 那是因為有病毒正在攻擊它們的宿主。 而共同演化正使得演化永不停止。 世界永遠在變，因此進化當然也從不停止。 這完全是千真萬確的。 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。 繼續取得進展，事實上 進展在恆定環境中可能也永遠不會停止。 對我來說，這正是讓這個實驗持續下去的原因之一。 這個模型是否繼續進行預測 未來健身趨勢的發展過程？