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在实验室里重演大肠杆菌的5亿年演化史

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外太空生物学家重新培养出了5亿年历史的细菌,然后观察它们的进化。目的是?寻找生物进化的普遍规律。

生物学正在迅速发生根本性变革,以至于人们很难跟上正在进行的进化转变。
例如,合成生物学能设计和制造在自然界中没有的生物系统。这是工程改造——使用分子基本单元创造新的生物分子,诸如基因。
还有一种技术:通过比较有亲缘关系物种的DNA,可以了解其共同祖先的DNA结构。
然后,使用合成生物学,就能在实验室里重建这些DNA序列。生物学家用这种方式已经开始让各种古代生物分子复活,其中包括激素受体,甚至包括古代分子机器。
美国佐治亚理工学院的贝杜尔•卡查尔(Betül Kaçar) 和埃里克•戈谢(Eric Gaucher)宣布,他们把这些技术结合起来进行了一个不同寻常的实验。
他们重建了生活在大约5亿年前的大肠杆菌的祖先的一个古老基因,然后把一些大肠杆菌的这个基因的现代版本替换成了重建出来的古代版本。
他们说:“这标志着人们首次把一个古代基因整合到一个当代生物对应的现代基因的位置上。”
这是细菌尺度上的《侏罗纪公园》(尽管考虑到这个时间尺度,称为《寒武纪公园》或者《奥陶纪公园》可能更准确)。
卡查尔和戈谢并没有到此为止。他们说,这种古代细菌提供了一个独特的机遇:在实验室里重演进化,看看今天的大肠杆菌究竟是照原样重新进化一次,还是会出现其他情况。
这个构想就是让这种生物在精密控制的条件下进化许多代。通过使用诸如该细菌种群用多长时间翻一番等适应度标准,对不同的适应进行衡量。然后用全基因组测序观察细菌发生了哪些变化。
此前从未对用这种方式改造的细菌进行过这类研究。卡查尔和戈谢说,在根本上,这些实验有两类可能的结果。
第一类结果涉及到该基因本身。这个古代基因有可能不断适应现代基因网络从而产生出与其现代版本基因完全一样的拷贝,也有可能用一种完全不同的方式进化。
第二类结果涉及到这种现代生物的基因网络。它有可能进化成古代网络——从而使这种古代生物复活,也有可能以一种全新的方式适应环境。
当然,问题在于从复杂的实验细节中弄清楚所有这些问题。
迄今,卡查尔和戈谢只进行了初步的适应度测量。他们说,古代大肠杆菌的种群翻一番所用的时间是现代大肠杆菌的2倍。但是他们关于实验进化的研究仍然处于早期阶段。
这种新方法有可能让人们研究关于机会和决定论等因素在进化中的作用的各种有趣问题。
例如,卡查尔和戈谢尔希望了解进化是会走向单一的点还是多个解决方案、某些突变是否可以预测、是否有普遍规律支配着生物进化。
这类问题不仅将帮助我们理解进化怎样产生出我们所熟悉的生命形式,还能帮我们了解进化对于我们从未想像过的生命形式能起到什么样的作用,换句话说,也就是其他行星上的生命以及尚未在实验室中制造出来的人造生命形式。
这项研究催生的重要问题值得在未来加以关注。
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