Science：快速的细菌-噬菌体共同进化促进高度复杂的生态网络的出现

按照查尔斯-达尔文在 19 世纪的构想，进化是一个缓慢而渐进的过程，在这一过程中，物种的适应能力是代代相传的。然而，如今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，美国加州大学圣地亚哥分校生物科学学院博士后学者Joshua Borin和副教授Justin Meyer在简单的实验室烧瓶中记录快速的进化过程。

Borin和Meyer把细菌和称为噬菌体的病毒放在一个只有两茶匙大的封闭实验室烧瓶中，研究共同进化的过程。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病毒攻击。病毒则通过自身的进化变化来对抗这些适应性，从而规避了这些新的防御措施。在短短三周内，细菌（大肠杆菌）和病毒（噬菌体）之间的这种加速军备竞赛产生了几代进化适应。他们的研究结果揭示了独特进化模式的出现。相关研究结果发表在2023年11月10日的Science期刊上，论文标题为“Rapid bacteria-phage coevolution drives the emergence of multiscale networks”。

Meyer说，“在这项新研究中，我们展示了进化的力量。我们看到了细菌和噬菌体之间的共同进化如何推动了一个高度复杂的生态网络的出现。进化并不像达尔文认为的那样缓慢而渐进。”

Meyer说，这项新研究为我们提供了全新的视角，让我们了解错综复杂的生态网络是如何在不同的生态系统中发展起来的，无论是热带稀树草原上的食物网、雨林中的授粉者网络，还是海洋中相互作用的微生物。

随着时间的推移，细菌和病毒适应了彼此的存在，出现了两种突出的重复模式。其中包括嵌套性（nestedness），即特定细菌和特定病毒之间狭义的相互作用“嵌套”在更广泛的广谱性病毒和广谱性细菌之间的相互作用中；以及模块性（modularity），即物种之间的相互作用在特定群体内形成模块，而在不同群体之间则不形成模块。

Borin说，“我们惊奇地发现，我们在微小烧瓶中进行的进化实验重现了以前在区域和跨洋尺度上收集的细菌和病毒之间观察到的复杂模式。”

论文共同作者、马里兰大学生物系的Joshua Weitz教授补充说，“当我们的研究团队首次定量确定环境细菌和噬菌体相互作用数据中的这种多尺度模式时，我们原以为这种复杂性的出现需要长时间的进化。”

图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.adi5536。

Meyer说，“在行动中”捕捉这些进化发展加强了进化的力量，而这种力量往往被低估。病原体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 的新变异，病毒展示了强大的进化适应能力，当它们遇到抗体、疫苗和其他阻止它们有效感染和传播的障碍时，就会产生新的毒株。这种微生物进化的新概念正在重塑患者的治疗方式。

Meyer说，“我们发现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，这类外部进化力量的例子包括通过地理距离进行隔离、环境驱动力以及与其他物种的相互作用。“因此，我们可以利用噬菌体和细菌作为模型系统来理解一般的进化原理，并帮助说明地球上的生命是如何从简单的起点进化成如此多样和复杂的生态系统的。” （生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Joshua M. Borin et al. Rapid bacteria-phage coevolution drives the emergence of multi-scale networks. Science, 2023, doi:10.1126/science.adi5536.

Bacteria-virus arms race provides rare window into rapid and complex evolution
https://phys.org/news/2023-11-bacteria-virus-arms-rare-window-rapid.html