细菌病毒军备竞赛为研究快速而复杂的进化提供了难得的窗口

　　正如查尔斯·达尔文(Charles Darwin)在19世纪所设想的那样，进化是一个缓慢渐进的过程，在这个过程中，物种的适应能力是代代相传的。然而，今天的生物学家可以看到进化变化是如何在更快的时间尺度上展开的。

　　与达尔文在形成他的进化论时研究的加拉帕戈斯群岛上令人回味的动植物不同，博士后学者约书亚·博林和加州大学圣地亚哥分校生物科学学院的副教授贾斯汀·迈耶在简单的实验室瓶中记录了快速的进化过程。

　　博林和迈耶将细菌和病毒放在一个封闭的实验室烧瓶里——只有两茶匙那么大——研究协同进化的作用。当病毒感染它们的细菌邻居时，细菌会进化出新的防御措施来抵御攻击。然后，病毒通过自身的进化变化来对抗这些适应，这些变化绕过了新的防御措施。

　　在短短三周内，细菌(大肠杆菌)和病毒(噬菌体)之间加速的军备竞赛导致了几代人的进化适应。发表在《科学》杂志上的新发现揭示了不同进化模式的出现。

　　“在这项研究中，我们展示了进化的力量，”生态、行为和进化系副教授迈耶说。“我们看到细菌和噬菌体之间的共同进化如何推动一个高度复杂的生态网络的出现。进化并不一定要像达尔文认为的那样缓慢渐进。”

　　迈耶说，这项新研究为复杂的生态网络如何在不同的生态系统中发展提供了新的视角，无论它们是热带草原上的食物网，雨林中的传粉者网络还是海洋中的微生物相互作用。

　　随着时间的推移，细菌和病毒适应了彼此的存在，出现了两个突出的重复模式。其中包括嵌套性，即细菌和病毒之间的狭义相互作用“嵌套”在更广泛的通才相互作用中;模块化，物种之间的相互作用在特定群体内形成模块，而不是在群体之间形成模块。

　　“我们惊奇地发现，我们在小烧瓶中的进化实验重现了以前在区域和跨洋尺度上观察到的细菌和病毒之间的复杂模式，”Borin说。

　　“当我们的研究团队首次在环境细菌和噬菌体相互作用数据中量化这种多尺度模式时，我们认为这种复杂性的出现需要长时间的进化，”研究合著者、马里兰大学生物系的约书亚·韦茨教授补充道。

　　迈耶说，“在行动中”捕捉这些进化的发展加强了进化的力量，而进化的力量往往被低估了。病原的快速进化继续以新的方式塑造着我们的世界。通过COVID-19和SARS-CoV-2的新突变，病毒表现出了强大的进化适应能力，当它们遇到抗体、疫苗和其他阻碍它们有效感染和传播的障碍时，就会产生新的毒株。这些微生物进化的新概念正在重塑治疗病人的方式。

　　迈耶说:“我们的研究表明，进化可以在很少的外部帮助下迅速产生复杂的生态网络。”他指出，这种外部进化力量的例子包括地理距离造成的隔离、环境驱动因素以及与其他物种的相互作用。“所以我们可以用噬菌体和细菌作为模型系统来理解一般的进化原理，并帮助展示地球上的生命是如何从简单的开始进化成如此多样化和复杂的生态系统的。”

　　在相关工作中，Meyer和Weitz正在使用人工智能来研究如何将噬菌体用于日益严重的抗生素耐药性危机。这项研究包括对进化数据的分析，以确定噬菌体和细菌的哪些突变会导致感染和耐药性。这项研究还强调了霍华德休斯医学研究所支持的一项新努力，即研究如何将“巨型”噬菌体用作新的治疗药物。

　　《科学》杂志论文的共同作者包括Joshua Borin, Justin Lee, Adriana Lucia-Sanz, Krista Gerbino, Joshua Weitz和Justin Meyer。