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科学家在实验室重现生物进化过程

发布时间:2019-10-12 19:10:22

实验室进化发生在类似的瓶子中。 图片来源:密歇根州立大学

运行时间最长的进化试验重现了自然界的另一面,并且展示了一种生物的重大变化如何改变它的环境以及居住在那个空间中所有生物的进化轨迹。

长期实验进化项目开始于1988年。美国密歇根州立大学的Richard Lenski选择了单菌株的大肠杆菌,并且创建了12种培养菌。

此后的每一天,每种培养菌的样品都被转移到以葡萄糖为主要营养物质的新鲜培养基中。如今,自试验开始,已有6万多代大肠杆菌产生。

Lenski的试验让人们以前所未有的细节见证了进化。由于样品每隔75天便被冷藏起来,因此研究团队能再次辨认他们所看见的改变背后精确的基因突变。

最大的进化改变在约3.15万代之后发生。在12种培养菌中,一种细胞系演化出以培养基中另一种化学物质——柠檬酸为食的能力。如今,来自Lenski团队的Caroline Turner和其他成员在一篇提交到预印本文献库的论文中描述了这种变化引发的一些影响。

大肠杆菌通常并不以柠檬酸为食,因为它们无法将其携带进细胞中。不过,食柠檬酸细菌中的一个突变使其产生逆向转运蛋白CitT。该蛋白能让柠檬酸绕过细胞膜进入细胞。这种蛋白的基因已经存在,但在氧气出现时通常会被关闭。

一旦以柠檬酸为食的能力进化出来,整个菌群便会繁盛,因为相同的培养基能维持更多细胞的生命。很快,这些以柠檬酸为食的细菌占据统治地位,战胜了所有大肠杆菌,除了其中一株——该菌株反过来演化出利用被改变的环境的能力。

它通过产生更多的被称为DctA的转运蛋白成功做到了这一点。DctA能以很小的能量代价导入以柠檬酸为食的菌株所导出的琥珀酸和其他分子。不过,事情并未就此停止。柠檬酸吞食者随后还开始制造更多的DctA,以试图夺回在获取柠檬酸过程中损失的一些琥珀酸和其他分子。

“我们的发现展示了新奇的进化如何改变环境条件,并因此促进了多样性,同时改变了一个生态系统的结构和共存有机体的进化轨迹。”论文作者表示。

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