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进化实验室

进化实验室

进化不只是很久以前发生的事。它此刻正在发生:在医院里、在森林里、在每一个出生的孩子身上。亲手做六个实验,然后看看科学家做真实实验时发生了什么。

  1. 1细菌对抗抗生素
  2. 2当一回鸟
  3. 3基因混合器
  4. 4达尔文雀
  5. 5驯化一只狐狸
  6. 6你自己的世界

1 · 细菌对抗抗生素

细菌对抗抗生素

细菌从培养板的两侧边缘向内扩散。越靠近中心的条带,抗生素浓度是前一条的十倍。细菌无法在自己不耐受的条带里生长。但细菌每分裂一次,就有一点点突变的机会,有些突变能让后代稍微更耐药一些。

代数
0
到达的最高条带
无药物
耐药等级

点击播放。每种颜色代表一个耐药等级。看看扩散前沿在哪里停滞,又在哪里被一个突变体突破。

真实的实验

2016 年,哈佛的一个团队制作了一块 120 × 60 厘米的巨型培养板,抗生素甲氧苄啶的浓度朝中心每一条带提高十倍,最高达到通常能抑制大肠杆菌剂量的 1000 倍。放在边缘的细菌不到两周就进化到了中央条带,一台摄像机拍下了每一步。一个意外发现是:最耐药的突变体并不总是赢家。它们有时会被困在长得更慢、耐药性更弱的邻居后面。

为什么这很重要:滥用抗生素就是在全球范围内进行这个实验。每一次使用,都在偏袒能挺过去的细菌。

最长的进化实验

1988 年 2 月 24 日,理查德·伦斯基启动了 12 瓶相同的大肠杆菌培养物。每天把每瓶培养物取一点转到新鲜培养基里,相当于每天约 6.6 代。2024 年 8 月,这些种群已超过 8 万代,是我们这个物种至今经历代数的六倍多。大约在第 3.1 万代,一个种群进化出了新本领:能以柠檬酸盐为食,而大肠杆菌在有氧条件下通常无法利用它。

为什么这么快?在良好条件下,大肠杆菌大约每 20 分钟就能分裂一次。

研究:Baym et al. 2016, Science ↗Blount et al. 2008, PNAS ↗Good et al. 2017, Nature ↗E. coli long-term evolution experiment ↗抗生素抗藥性 ↗

2 · 当一回鸟

当一回鸟

白天,桦尺蛾停在树皮上休息。大多数是浅色带斑点的,少数带有让它们变黑的突变。你是一只饥饿的鸟:点击你能发现的飞蛾。幸存者会产卵,它们的后代长得像父母。

每一代中深色飞蛾的比例
100%0%

真实的实验

这是真实发生过的事。1848 年,曼彻斯特首次记录到黑色桦尺蛾。随着煤烟把树木熏黑,它们迅速扩散,到 1895 年,曼彻斯特周边约 98% 的桦尺蛾都是黑色的。20 世纪 50 年代清洁空气法实施后,树皮重新变浅,黑色飞蛾变得稀少。2016 年,遗传学家找到了这个突变本身:一段插入名为 cortex 的基因中的“跳跃 DNA”,很可能发生在 1819 年前后。

但真的是鸟干的吗?

为了解决这个问题,生物学家迈克尔·马杰鲁斯在六年里放飞了 4864 只飞蛾,观察鸟吃掉了哪些。在如今干净的树皮上,鸟抓走的深色飞蛾更多,足以解释黑色飞蛾为何在消失。

研究:van't Hof et al. 2016, Nature ↗Cook et al. 2012, Biology Letters ↗Peppered moth evolution ↗自然选择 ↗

3 · 基因混合器

基因混合器

每个孩子都从父母双方各得到一半基因,但得到哪一半由机会决定。来认识两个想象中的生物,它们各自带有五个基因的两份拷贝。大写字母代表显性:只要一份就能表现出这个性状。点击字母可以改变父母的基因。

亲本 A

亲本 B

后代

你是约 70 万亿种组合中的一种

你的父母各有 23 对染色体,并从每一对中随机传给你一条。这样每位亲本就有 2²³ = 8,388,608 种可能的组合,一对父母约有 70 万亿种,而这还没算上染色体之间交换片段(交叉互换),那会让这个数字再翻许多倍。此外,每个孩子出生时还带着约 70 个父母都没有的全新突变。

格雷戈尔·孟德尔在 19 世纪 60 年代,于一座修道院的园子里种植并杂交了约 2.8 万株豌豆,发现了这些规律。直到 1900 年,也就是他去世十六年后,人们才明白他的工作有多重要。

研究:Jónsson et al. 2017, Nature ↗孟德尔定律 ↗染色體互換 ↗格雷戈爾·孟德爾 ↗

4 · 达尔文雀

达尔文雀:天气由你决定

在加拉帕戈斯群岛的一座小岛大达夫尼岛上,彼得和罗斯玛丽·格兰特几十年来几乎捕捉、测量并追踪了每一只雀鸟。在这里,每年的天气由你决定。天气决定剩下哪些种子,种子决定哪些喙能活下来。

按下之前先预测:平均喙会变得……

每只雀鸟的喙高
7 mm · 小大 · 12 mm
平均喙高,逐年变化(点的颜色 = 天气)

简化模型:存活取决于喙与当年剩下的种子是否相配,喙高的遗传力设为 0.75,接近格兰特夫妇测得的数值。重播遵循关键年份的真实顺序,但数字是模拟的。

真实的实验

1977 年,大达夫尼岛只下了约 24 毫米的雨。小而软的种子吃光了,岛上大多数中地雀死去。幸存者主要是喙高的大个子鸟,能咬开蒺藜那种大而硬的种子。它们后代的喙比干旱前的种群高了约 4%:这是用卡尺量出来的进化,只用了一代。

后来,进化掉转了方向

1982–83 年厄尔尼诺带来的降雨让岛上铺满了小种子,之后几年喙小的鸟过得更好。1982 年,几只大地雀在岛上安了家。在 2004 年的干旱中,它们占据了大种子,中地雀的喙随之变小:这是格兰特夫妇 33 年来记录到的最强烈的进化变化。2016 年,遗传学家把这一变化与一个名为 HMGA2 的基因区域联系起来。格兰特夫妇 30 年后的结论是:短期内进化可以预测,长期则不能,因为天气无法预测。

研究:Boag & Grant 1981, Science ↗Grant & Grant 2002, Science ↗Grant & Grant 2006, Science ↗Lamichhaney et al. 2016, Science ↗達爾文雀 ↗

5 · 驯化一只狐狸

培育一只温顺的狐狸

1959 年,苏联遗传学家德米特里·别利亚耶夫在西伯利亚开始了一项实验。在毛皮养殖场的银狐中,只有最平静、最友好的才被允许繁殖。现在由你来当育种者:选出每一代新狐狸的父母,看看一路上还有什么发生了变化。

点选你想让它们当父母的幼崽(至少两只)。每张卡片显示有人走近时这只幼崽的反应。

    热切寻求与人接触的“精英”狐狸所占比例
    你的狐狸 真实实验
    0代45

    简化模型:温顺程度取决于许多基因加上机遇。白斑、耷耳和卷尾很少出现,在温顺的狐狸中稍多一些,正如实验中所见;原因至今仍有争议。

    真实的实验

    在真实实验中,每一代只有不到 10% 的个体成为父母。到第四代,第一批幼崽开始对人摇尾巴。“精英”,即像狗一样主动寻找人类、呜咽和舔人的狐狸,在第 6 代占幼崽的 1.8%,第 10 代占 18%,第 20 代占 35%,第 30 代占 49%。到 2005–2006 年,几乎整个种群都成了精英,它们的应激激素水平降到普通养殖狐狸的三分之一甚至更低。

    没人挑选过的耷拉耳朵

    人们只挑选行为,但在 8 到 10 代之后,出现了白色的“星形”斑块,有些狐狸还长出了耷拉的耳朵和卷曲的尾巴,这些都是许多家养动物共有的特征。别利亚耶夫认为,仅仅按温顺来选择,就会改变发育过程中基因开启的方式。这个观点如今存在争议:2020 年,研究者追溯到他的狐狸来自加拿大东部的毛皮养殖场,在那里已经被养了几十年,并认为这个实验的结论被夸大了。2018 年,狐狸基因组揭示了与温顺和攻击行为相关的区域。

    研究:Trut et al. 2009, BioEssays ↗Kukekova et al. 2018, Nature Ecology & Evolution ↗Lord et al. 2020, Trends in Ecology & Evolution ↗Domesticated silver fox ↗

    6 · 你自己的世界

    建造你自己的世界

    这里生活着一些想象中的小生物。它们吃东西、逃跑、变老、生儿育女。每一个都带有四个基因,决定体型、速度、颜色和毛发,并带着微小的随机变化传给后代。没有人设计它们。改变它们的世界,看看自然选择如何重塑它们。

    气候
    食物
    捕食者
    地面
    生物数量
    体型
    速度
    深色程度
    毛发

    试试这些

    1. 把地面设为浅色沙地,加入很多捕食者。等一会儿,再切换到深色熔岩。生物的颜色会怎样变化?
    2. 开启冰期。谁能活下来,毛厚的还是毛薄的?然后切换到沙漠酷热。
    3. 把食物从充足改成稀少,观察数量曲线。这个世界能养活多少生物?
    4. 点“重新开始”,然后只是观察。最初的生物体型和速度都是中等。它们会自己稳定在哪里?为什么?

    这是一个模拟,不是真实的生态系统,但它遵循与生命相同的三条规则:变异、遗传,以及不平等的生存和繁殖。

    每个基因都有代价

    更大的身体让捕食者更难制服,但需要更多食物。速度有助于逃跑和找食物,却会消耗能量。毛发能御寒,在沙漠里却会让身体过热。伪装只在合适的地面上有效。自然选择从来找不到完美的生物;它找到的是适合眼下这个世界的折中。世界变了,折中也就变了。

    这里没有任何东西被设定为要进化

    代码里没有“变深一点”或“长出毛来”这样的指令。它只规定了生物如何移动、进食、为身体付出代价、被捕食和繁殖,以及复制时的小错误。图表中的每一个趋势都只是由此而来,这正是达尔文想说的。

    了解更多:自然选择 ↗偽裝 (動物學) ↗

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