生物学中的一个经典问题是进化是否完全随机，或者是否可以遵循可预测的模式。这个问题被著名古生物学家和科学传播者斯蒂芬·杰伊·古尔德普及开来，他在他的《美好生活》一书中想知道，如果我们能够“倒回”生命的磁带并让它重新运行，会发生什么。主要的系统发育群体会重新出现，还是会发生完全不同的事情?

马德里理工大学生物技术和植物基因组学中心 (CBGP) 的 Alejandro Couce 领导的一项国际研究试图以细菌适应为例来回答这个问题。研究结果于1 月 26 日发表在《科学》杂志上。

该研究通过分析实验细菌群体的进化行为并利​​用大规模、尖端遗传工具提供的分析能力，揭示了这个经典问题。结果表明，细菌的进化在短期内是可预测的，这为预测病原体和害虫的进化以及控制它们的潜在生物技术应用打开了大门。

该研究涉及巴黎大学(法国)、国家健康与生物医学研究所(法国)、哈佛大学(美国)、密歇根大学(美国)和伦敦帝国理工学院(英国)的合作。

研究人员的主要目标是研究突变的影响在整个适应过程中是否保持不变，或者是否表现出显着的历史依赖性。例如，祖先的有益突变是否对后代有害，反之亦然。

“回答这个问题具有深远的意义，最重要的是关于进化的可预测性，”目前在芬欧汇川大学研究进化遗传学实验室的负责人亚历杭德罗·库斯(Alejandro Couce)解释道。

为了部署这项雄心勃勃的研究，研究人员采用了最新的大规模基因工程技术，可以将数十万个突变引入细菌中，并单独研究每个突变的个体效应。Couce 补充道：“这项技术可以探索细菌基因组超过 4,000 个基因中所有可能突变的影响，无论是好还是坏。”

在他们的工作中，研究人员将这些技术应用于著名的长期进化实验的祖先和不同进化阶段，该实验在恒定的实验室条件下进化了 12 个相同细菌种群超过 35 年。总的来说，这些由同一祖先建立的种群已经经历了超过 70,000 代，大约是地球上智人生存时间的五倍。

这项新研究的第一个显着惊喜是，在这 12 个谱系的整个进化过程中，致命、有害和中性突变的总体比例几乎保持不变，尽管突变的具体身份表现出极大的波动性。

对于研究人员来说，一个特别相关的案例是致命突变：顾名思义，突变会导致生物体死亡，揭示哪些基因和系统对生命至关重要。结果表明，祖先中的许多致命基因在进化后的菌株中不再致命，但祖先中类似部分的非致命突变后来变得致命。正如库斯所解释的，结果是“致命突变的比例在进化过程中神秘地保持不变。”

这种恒定性需要重新思考最小基因组概念的模型，并且对生物技术(合成细菌的产生)和医学(寻找长期保持恒定的抗生素靶标)具有实际意义。

该研究的另一个主要结果涉及有益突变。这些突变代表了最不丰富的一类可能的影响，也是唯一在适应过程中比例发生变化的突变。

“我们从一种近乎哲学的方法开始：如果我们能够知道一个有机体在给定时间所有可能的有益突变，我们可以预测适应吗?” UPM 研究人员说。“它可以被看作是拉普拉斯恶魔的生物学版本，在这个思想实验中，这位著名的法国物理学家想知道，对于一个能够知道宇宙中每个原子的位置和运动的超人智能来说，重建宇宙的结构并不是一件容易的事。过去并预测未来。”

“我们的结果表明，主要的初始适应是可以预测的，随着进化的进展，这种能力会消失，”他解释道。“换句话来说，恶魔确实存在，但目光短浅得可怕。”

由于主要的初始适应决定了生存和灭绝，因此这项宏观研究获得的结果为预测病原体进化的努力提供了“推动”。例如，这可以应用于具有多种抗生素抗性的细菌或新的大流行病毒，或开发农业疾病控制新方法。

此外，他们还证明，这些新的大规模基因工程技术可用于在创纪录的时间内开发适应不同需求或应用的微生物。例如，可以设计保护植物免受其他病原体侵害的细菌，或者更有效地产生或降解感兴趣的化合物的细菌。

库斯总结道：“我们的工作为梦想打开了大门，即一种能够做出具体预测的进化论是可能的，即使只是在统计层面上，就像气候科学的情况一样。”