方舟子的Blog

一提起进化论，大家首先想到的是达尔文。其实在达尔文之前也有别人提出过进化论，只不过他们提出的学说没能经受历史的考验。这些人中最著名的是拉马克，他的学说的生命力也更长一些，直到现在在外行中还有自称是拉马克主义者的。所谓拉马克主义和达尔文主义的区别，在于如何解释生物体对环境的适应性是怎么进化来的。比如斑马为什么跑得那么快？按拉马克主义的说法，这是由于斑马在受到狮子的追捕时，不得不拼命地跑，受到锻炼，跑得越来越快。它的奔跑能力遗传给后代，后代也就会跑得越来越快。达尔文则认为，斑马中有的跑得快有的跑得慢，跑得慢的容易被狮子抓到吃掉，留下的后代少，而跑得快的容易躲过狮子的追捕，留下的后代多，这样经过一代又一代的选择，斑马就跑得越来越快。

拉马克主义相当直观，容易理解，一度与达尔文主义竞争激烈。不过到了上个世纪二、三十年代，已很少有生物学家还相信拉马克主义了，因为这时已经知道后天获得性是不能遗传的，斑马跑得再快，也只是体细胞（例如肌肉细胞）发生了变化，影响不到生殖细胞，也就没法遗传下去。但是细菌只有一个细胞，因适应环境发生的变化就有可能遗传下去。例如，抗生素用久了，就会有细菌出现抗药性，这是由于细菌发生了能抵抗抗生素的基因突变。突变是怎么来的呢？拉马克主义认为是在抗生素的刺激下发生了适应抗生素的定向突变，而达尔文主义则认为突变是自发随机产生的，原来就有的，只不过这种突变比例很低，但是遇到抗生素后，没有这种突变的细菌都被杀死了，只有它留下了，不断地繁殖，最终全都是有抗性的细菌。

那么突变究竟是定向的，还是随机的呢？在1943年，美国遗传学家卢瑞亚和德布吕克做了一个貌似简单的实验。他们取出一点点大肠杆菌分装在不同的试管中培养，让大肠杆菌生长一段时间后，再从各个试管取出等量的大肠杆菌，接种在固体培养基上。这些培养基里加了噬菌体，它们会把细菌吃掉。但是有的大肠杆菌会发生突变，能够抵抗噬菌体，这样就会在培养基上生长，长出一个个菌落。如果大肠杆菌抵抗噬菌体的突变是在噬菌体刺激下才出现的，和大肠杆菌原来的情况没有关系，大家条件都一样，那么各个培养基上的菌落数量应该大致相等。实际统计数量时会出现一定差异，但差异不会太大，在概率上应该符合泊松分布，即它们的平均值等于方差。

但是卢瑞亚和德布吕克统计后发现，菌落数量的分布并不符合泊松分布，各个菌落数量差异很大，其方差远远大于平均值。这就说明大肠杆菌的突变不是在遇到噬菌体后才出现的，而是在此前就已经存在了，是在试管里培养时随机突变出来的。细菌在扩增时按一定的速率发生各种各样的突变，其中有的突变碰巧能够抵抗噬菌体。在没有噬菌体之前，这种突变没有表现出来，遇到噬菌体，别的细菌都被干掉了，就只剩下这种突变能够生长。卢瑞亚和德布吕克根据这个设想，推算出各个培养基上的菌落数量的波动范围，实验的结果也符合他们的推算。这种概率分布，后来就被称为卢瑞亚-德布吕克分布。

也就是说，如果菌落数量分布符合泊松分布，那就说明突变是遇到噬菌体后才定向出现的，拉马克主义就是对的。但是如果菌落数量分布符合卢瑞亚-德布吕克分布，那就说明突变在遇到噬菌体之前就有了，是随机发生的，噬菌体只是对突变进行了选择，这是符合达尔文的自然选择学说的。而实验的结果说明达尔文是对的。类似的实验后来有其他人做过，都得出相同的结论。

但是到了1988年，哈佛大学约翰·凯恩斯实验室做了一个“细菌饥饿试验”，对这个结论提出挑战。如果培养基中含有乳糖，乳糖会诱导细菌合成降解这种糖的酶——β－半乳糖苷酶，这样细菌就可以用乳糖作为能源。但是有的细菌的β－半乳糖苷酶基因发生了突变，有缺陷，降解乳糖的效率非常低，它们只能是利用葡萄糖、甘油等当能源。凯恩斯把这种细菌先分装在含有各种营养素（包括葡萄糖）的不同试管里生长一段时间，然后接种在固体培养基上。这种培养基含有细菌生长所必须的各种营养素，但是不含葡萄糖，而是只有乳糖做为能源。由于凯恩斯使用的细菌菌株利用乳糖的效率很低，没有足够能源，它们在这种培养基上就会生长非常缓慢，长不出菌落。除非再发生一次突变，β－半乳糖苷酶的基因被修复，能够利用乳糖当能源，才会出现菌落。

凯恩斯发现，把细菌接种在固体培养基上第二天，出现了零星的菌落，说明的确发生了能有效利用乳糖的逆向突变。这些菌落的数量分布符合卢瑞亚-德布吕克分布，说明在遇到乳糖之前这些突变就已经存在了，是随机发生的。但是又过了几天，突然又长出了更多的菌落，而这些菌落的数量分布符合泊松分布，说明这些突变是在遇到乳糖之后才出现的。

这似乎表明，细菌在乳糖刺激之下，能够发生利用乳糖的定向突变。难道拉马克主义在某些条件下是能够成立的？这个结果发表后，轰动一时，在生物学界之外尤其轰动。很多人，特别是文科人士，很不喜欢达尔文自然选择学说，觉得它太机械、太冷冰冰、太没人情味了，不像强调生物的主观能动性的拉马克主义那样让人感到温暖。凯恩斯的实验，直到现在还经常被外行引用来攻击达尔文学说，攻击基因工程，乃至攻击整个现代生物学。

其实随后的实验证明凯恩斯观察到的，只是表面现象，凯恩斯本人也很快就承认，能利用乳糖的逆向突变不是定向的。不错，大部分逆向突变是在接触到乳糖之后发生的，但是并不是在乳糖刺激之下定向发生的。当细菌找不到能源时，它们停止了生长，处于应激状态。此时，细菌内部发生了一些激烈的变化，它们的遗传物质还在不断地复制、扩增（这种细菌并不是完全不能利用乳糖，只不过利用效率很低，但也足够为遗传物质的扩增提供能源了），而且在复制遗传物质时使用的是更容易发生复制错误的酶，也就是说，突变率变得更高。这样，就会发生各种各样的突变，碰巧有一种发生了逆转β－半乳糖苷酶基因缺陷的突变，让细菌能够利用乳糖当能源，这些突变的后代就开始生长，长出菌落。这也是自然选择的过程。尽管达尔文学说很让某些人讨厌，但是它还是对的。

2013.11.13

（《新华每日电讯》2013.11.15）