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美科学家验证进化中的“龟兔赛跑”

2012/01/24 来源:中国科学报
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导读
在细菌生长分裂至500代时,“兔子细菌”已经在数量上占据绝对优势;但是继续培养883代,也就是到了1383代时,情况发生了逆转,“乌龟菌株”不仅反超,而且“一统天下”,而“兔子细菌”似乎已无力挽回被淘汰的命运。

“龟兔赛跑”是大家耳熟能详的寓言故事。看似轻松,道理却值得深究:聪明不要骄傲,笨要坚持。由此后来还衍生出许多版本,比如,兔子克服了缺点,不再随性而为,一气跑到底获胜;乌龟又改变了策略,把赛道改成水陆兼有,兔子因不会游泳再次输了……

事实上,在非特殊情况下,乌龟式的慢跑在百米短跑中是绝对没有胜算可能的;但是换成马拉松,那结果就不好说了,从容不迫的慢步伐甚至会变成一种优势。

最近,进化学家们又把“龟兔赛跑”搬了出来。想看看在进化过程中,究竟是“快”好,还是“慢”更有优势。

美国密歇根大学的Richard和Lenski对这个问题进行了探讨。他们选择了两株细菌,一株突变频率发生得快, 被称为“兔子细菌”;另外一株突变频率发生得慢,被称为“乌龟细菌”。

把这两株细菌等量混合,在实验室内开展长期进化实验,观察的时间长度分别是500代、1000代和1500代。

结果出人意料。

在细菌生长分裂至500代时,“兔子细菌”已经在数量上占据绝对优势;但是继续培养883代,也就是到了1383代时,情况发生了逆转,“乌龟菌株”不仅反超,而且“一统天下”,而“兔子细菌”似乎已无力挽回被淘汰的命运。

通过检查,他们发现,在500代时,“兔子细菌”的topA基因发生了有利于生存和繁殖的突变。这个基因的功能主要是帮助细菌缠绕DNA,使长长的DNA链能在细胞微小的空间里放得下。“乌龟细菌”的topA虽然也观察到突变,但是与自己原来相比并没有带来明显优势。

到了1383代时,“乌龟细菌”另外一个spoT基因又发生有利突变,让“乌龟细菌”转败为胜,“后发制人”,而“兔子细菌”却没能发生spoT基因的有利突变。真是“三十年河东,三十年河西”。

“兔子细菌”率先发生topA的有利突变让其一朝领先,但是却让它的后劲丧失了,topA的有利突变,恰恰却对spoT的有利突变不利。而“乌龟细菌”虽然慢些,但是“厚积薄发”,topA和spoT两个基因协调发展,最终赢到了最后。

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