细菌病毒军备竞赛为快速而复杂的进化提供了难得的窗口

正如查尔斯·达尔文(CharlesDarwin)在1800年代所设想的那样，进化是一个缓慢、渐进的过程，在此过程中，物种的适应能力会在几代人的过程中逐渐遗传。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。

达尔文在形成进化论时所研究的加拉帕戈斯群岛动植物并不是令人回味的，加州大学圣地亚哥分校生物科学学院的博士后学者约书亚·博林(JoshuaBorin)和副教授贾斯汀·迈耶(JustinMeyer)正在简单的实验室烧瓶中记录快速进化过程。

博林和迈耶将细菌和病毒放在一个封闭的实验室烧瓶中(只有两茶匙大)，以研究共同进化的作用。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击退攻击。然后，病毒通过自身的进化变化来对抗这些适应，这些变化围绕着新的防御措施发挥作用。

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

“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高度复杂的生态网络的出现。进化不一定像达尔文认为的那样缓慢而渐进。”

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，无论它们是稀树草原上的食物网、雨林中的传粉媒介网络还是海洋中相互作用的微生物。

随着时间的推移，细菌和病毒适应彼此的存在，出现了两种显着的重复模式。其中包括嵌套性，即细菌和病毒专家之间的狭隘相互作用“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形成专门群体内的模块，而不是群体之间的模块。

博林说：“我们惊讶地发现，我们在小烧瓶中进行的进化实验重现了之前在区域和跨洋尺度收集的细菌和病毒之间观察到的复杂模式。”

“当我们的研究团队首次量化环境细菌和噬菌体相互作用数据中的这种多尺度模式时，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JoshuaWeitz教授补充道。。

迈耶说，捕捉这些“行动中”的进化发展增强了进化的力量，而这种力量常常被低估。快速的致病进化继续以新的方式塑造我们的世界。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、疫苗和其他阻碍其有效感染和传播的障碍时，就会产生新的毒株。微生物进化的这些新概念正在重塑患者的治疗方式。

迈耶说：“我们表明，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的隔离、环境驱动因素以及与其他物种的相互作用。“因此，我们可以使用噬菌体和细菌作为模型系统来理解一般进化原理，并帮助展示地球上的生命如何从简单的开始进化成如此多样化和复杂的生态系统。”

在相关工作中，迈耶和韦茨正在利用人工智能来研究如何利用噬菌体来应对日益严重的抗生素耐药性危机。该研究包括对进化数据的分析，以确定噬菌体和细菌中的哪些突变可以导致感染和耐药性。该研究还强调了霍华德休斯医学研究所支持的一项新努力，旨在研究如何将“巨型”噬菌体用作新的治疗剂。