一个不那么漫长的小实验
这里要介绍的实验是Wichman和他的小伙伴们用噬菌体ΦX174做的进化实验. 跟Lenski的大肠杆菌实验差不多,他们把一批一模一样的噬菌体分成两份,然后扔进了一模一样的环境里观察他们的进化过程.
他们给这些噬菌体设计的环境相比Lenski的大肠杆菌实验要奇葩的多: 这些噬菌体被限定了一个新的宿主(Salmonellatyphimurium, 一种沙门氏菌), 并且温度被恒定在43.5度的高温(相比正常的三十七八度算很高了).
为了避免两组实验的互相污染, 他们进行了惨无人道的地理隔离: 第一组在德克萨斯州的奥斯汀(Austin,TX), 第二组在爱达荷州的莫斯科(Moscow,ID). 二者相距2000多英里, 绝对不会有互相干扰的情况出现…
整个实验10天就做完了(Lenski泪流满面…). 不过这实验时间虽然很短,噬菌体的繁殖速度也许远超你的想象:在短短的10天内他们的总数量翻了1000翻(2^1000)!
并且由于噬菌体相对简单, Wichman很轻松的就能给整个基因组测序. 实验完成后他们在德州组(TX)的噬菌体里发现了14个点突变, 然后有一小段DNA丢失了. 而在爱达荷州(ID)的那组噬菌体中,他们发现了13个点突变, 然后也丢失了一小段DNA.
最厉害的发现是, 在那14/13个点突变中, 有6个突变的效果是一模一样的(会引起同样的氨基酸变化,也就是表型的变化),并且TX和ID两组噬菌体丢失的是同一小段DNA.
这说明了什么? 难道说进化有50%是注定的吗?
Ref:
Wichman, H. a, Badgett, M. R., Scott, L. a, Boulianne, C.M., & Bull, J. J. (1999). Different trajectories of parallel evolutionduring viral adaptation. Science (New York, N.Y.), 285(5426),422–4.

你吃惊, 我吃惊, 他吃惊, 我们都吃惊了
这个实验结果最让我吃惊的地方莫过于这两批噬菌体的进化结果里居然有50%是一样的, 说明进化过程有相当高的可重复性,换句话说,进化的结果很大程度上是”注定”的.
而这篇论文的作者显然并不这么看. 他们似乎早就认定了这批噬菌体的进化结果就应该是”注定”的. (这其实也不算特别奇怪的想法,毕竟认为自然选择是主导进化过程的决定性力量的观点一直都很有影响力.按照这样的观点,一模一样的祖先扔进一模一样的环境进化出一模一样的性状并不奇怪).
作者认为这个实验的结果是一个高度平行进化(“high degree of parallel evolution”)的例子. (个人觉得这个说法很有趣,这实验里的平行进化说顶天了也就50%多, 哪来的”高度”平行进化…?) 所以让他们吃惊的反而是另外那50%左右不同的进化结果(“Yetthere are surprising differences”), 并花了很大的篇幅来讨论是什么机制造成了这样不同的结果.
作者讨论说, 在这10天中有无数的噬菌体出现过(噬菌体的总数翻了1000翻). 如此庞大的数量让他们很有信心的认为在TX组噬菌体中出现的突变同样会出现在ID组的噬菌体中间.既然都出现过,为什么选择的结果会有不同呢?于是他们得出结论说可能是因为这些突变发生的时间顺序不同导致了最终进化结果的不同.
比如说假设1号突变会抑制2号突变的发生, 那么如果1号突变先发生并且扩散到了整个种群,那么2号突变就很难出现了.最后大家都只会有1号突变. 反之如果2号突变发生在先,就不会影响1号突变的发生, 于是最后大家可能会同时拥有1号和2号两个突变.
换句话说, 他们基因之间的互相作用(epistasis, 异位显性)影响到了实验中噬菌体的进化结果.在两组噬菌体中都出现了的那7个突变(6个点突变和1个删节)彼此之间没有影响,所以两组都会进化出来;而剩下的哪些突变会影响其他突变的发生,所以只发生在了其中一组的身上.
而事实上, 那7个同样的突变在两组噬菌体中发生的顺序的确有所不同, 一定程度上说明他们的确没有互相影响,算是佐证了作者的观点.
于是乎, 尽管事实上进化的结果是一半一样一半不一样, 作者还是给这篇文章按上了这么一个标题: “殊途同归的病毒适应性进化(Differenttrajectories of parallel evolution during viral adaptation)” (我承认我这个翻译有相当程度的脑补/文学修正的成分,但是由作者的字里行间可以看出他们的确更强调平行进化,而刻意的淡化了分歧)

错误的第一步
无论上面的作者到底是怎么想的, 他们在文中最后得出了”基因之间的互相作用(epistasis,异位显性)会影响进化过程”这么一个很有意思的结论. 我很喜欢这个结论,并且找来了据我所知这个观点最强有力的证据:
Weinreich发现细菌体内的β-内酰胺酶(β-lactamase)是他们抵抗青霉素能力的关键. 并且他通过人工改造β-内酰胺酶的氨基酸序列, 制造出了具备更强的抗青霉素能力的新型β-内酰胺酶. 这个新酶只需要改变β-内酰胺酶中的5个氨基酸就可以得到.(为了讨论方便,姑且把这5个突变命名为ABCDE.另外,这实验好危险的说…)
在研究过程中,这个小组发现了一个很有趣的现象:不同的突变组合对抗药性的提升效果是不一样的.
最能提升抗药性的自然是同时具备ABCDE五个突变(集齐五颗龙珠就可以召唤神龙啦~), 但是这抗药性并非是稳步提升的,每一个组合的抗药性都不尽相同. 比如假设ABCDE这个黄金组合的战斗力是100(咳咳, 好吧应该是对青霉素的抗药性…), 只有A的时候可能就只有10, BC是20, ACE是50等等.
于是Weinreich和他的小伙伴们干了这么一件丧心病狂的事: ABCDE5个突变先后出现的顺序一共有120种可能的路径(高中数学有教, 排列组合) 而他们通过实验测定了每一个组合的战斗力. 并且得出结论: 想要从原始的β -内酰胺酶进化到ABCDE这个黄金组合, 你只有有限的几条路可以走.
为什么呢? 就是因为不同组合的战斗力不同了.
比如说这就是一条能走的路:A(10)->AB(20)->ABC(30)->ABCD(50)->ABCDE(100). 如果你第一个突变出A, 第二个B, 第三个C这样按顺序得到ABCDE, 就能稳定提升战斗力并抵达黄金组合这个终点.
而这就是一条走不通的路:B(15)->BE(25)->ABE(10)->ABCE(70)->ABCDE(100). 如果你第一个突变出了B会提升战斗力, 第二个突变出E的时候战斗力上升, 但第三个突变出A的时候会突然下降, 直到C出现了才会有一个大幅的提升, 最后D出现达到100.这条路在第三步会受自然选择的影响卡住,只能走到BE就走不通了.
再比如说,假设D的战斗力是40, 而其他所有双突变组合(AD,BD,CD,ED)的战斗力都在40以下, 那么如果你第一个就突变出了D,你的抗药性进化之路就算走到头了. 换句话说, 只因为你走出了错误的第一步, 你的前方注定只有死胡同.
按照上面的逻辑, Weinreich他们发现在所有120种最终达到ABCDE的路径中, 有102条都是行不通的(会在进化中途停在的某个抗药性小高峰上,而不会达到抗药性最高的5突变组合), 即使是剩下的18条路中, 也会有不少在中途会碰上抗药性0增长甚至是小幅下降, 因此也几乎不可能走通. 想要达到ABCDE的黄金组合, 这些细菌可选的路大概只有下图里面的这10条. 箭头越粗可能性越大.

Ref:
Weinreich, D. M., Delaney, N. F., Depristo, M. a, &Hartl, D. L. (2006). Darwinian evolution can follow only very few mutationalpaths to fitter proteins. Science (New York, N.Y.), 312(5770), 111–4.doi:10.1126/science.1123539

小结
我们从这两个实验里学到了什么?
1. 自然选择对进化过程的影响力很大, 在强选择的作用下, 进化很大程度上是可以重复的. (一模一样的噬菌体扔在一模一样的环境里, 进化结果有50%多是一样的);
2. 由于基因之间的互相影响, 进化前进的道路并非随机的. 自身的进化史会极大的限制进化的方向. (120条路里真能走通的只有10条左右, 一旦中途走错了, 就会被困在死胡同里动弹不得);
综合以上两条, 科学家们很文艺的总结道: "生命的录像带很大程度上是可以重复的, 甚至是可以预测的 (tape of life may be largely reproducible and even predictable.)"
我个人很喜欢这个结论, 会不会有朝一日我们真的能做到预测进化? 也许不能100%完全预测, 但是也许能做到天气预报的程度? :P