微生物学哲学（二）

2.2.2 生命之树

生命之树以谱系关系的形式呈现物种，至少人们通常如此解读 (Ragan 2009; O’Malley et al. 2010)。通过利用当今数据，追溯祖先状态，包括共同祖先和分歧点，进化生物学家可以构建系统发育树，这不仅可以捕捉进化关系，还可以确定它们的大致年代。传统上，系统发育树是基于形态学数据（包括化石）构建的，但近几十年来，分子系统发育学迅速兴起。基因和蛋白质序列的使用，加上计算方法，使得对生命之树上所有生命（包括形态特征有限的生物，如微生物和真菌）进行更精细、更广泛的重建成为可能。

然而，数据和树的激增带来了一个意想不到的后果，那就是人们反复发现许多原核生物在谱系之间​​交换基因，包括对谱系具有重要意义的基因。此类转移的程度和重要性如此之高，以至于构建系统发育的标准方法（即以图论形式表示谱系，且仅允许垂直传承）受到了破坏。此外，分子数据揭示了多细胞生物的杂交程度（Mallet 等人，2016）。因此，生命之树成为一个值得质疑的构建体（Doolittle & Bapteste，2007；Dagan & Martin，2009），无论从形而上学还是实用主义的角度来说都是如此。任何思考生命之树及其所代表意义的哲学家，至少都必须思考微生物的进化（Velasco，2010）。

2.2.3 进化中的重大转变

自约翰·梅纳德·史密斯和埃尔斯·萨特马里合著《进化中的重大转变》（1997）以来，重大转变一直是生物哲学的焦点话题。他们关注地球生命史上的关键转变，从细胞起源到性起源再到语言起源。关于进化过程中重大转变的哲学讨论主要围绕着寻找一个统一的主题，将重大转变统一到一个理论中（这也是许多物种和生命之树讨论的共同愿望）。该主题的常见选择是个体性，这意味着进化中的任何重大转变都被理解为最核心地涉及进化个体性的转变（例如，Ratcliff 等人，2017 年；Michod，2011 年；但也参见 O’Malley 和 Powell，2016 年）。但无论任何特定的理论对进化转变的性质有何贡献，微生物进化对于理解地球生命在发展到当前状态的过程中所经历的各种转变都至关重要。即使理论家们只想理解真核生物的进化，或者他们只关心后生动物——人类所属的真核生物界——的起源，情况也是如此。[5]

真核生物是以细胞内复杂性为特征的生物，尤其是以细胞内分隔的细胞器为特征。大多数原核生物并不表现出相同程度的分隔（然而，参见 Murat 等人，2010）。大多数真核生物是单细胞的（Burki 等人，2020），但宏观真核生物几乎都是多细胞的，而且通常很显眼。科学家和哲学家们通常将身体体积和多部分复杂性视为具有进化重要性的现象（例如，Carroll，2001）。尽管有诸多生态原因支撑着这种印象（例如，大型生物对环境的巨大影响；参见 Enquist 等人，2020 年），但最近关于真核生物起源的研究结果或许至少会稍微缓和这种观点。

长期以来，关于真核生物起源的观点是：A. 它们起源于细菌和古菌的融合；B. 这一独特的谱系蓬勃发展，并在系统发育中开辟出自己的“域”空间（见表 1）。构成真核生物的生物体的多样性和复杂性至少在一定程度上证明了其成为一个域的合理性（Butterfield，2014 年）：植物、动物、真菌和原生生物。然而，最近，人们发现了一个多样化的古菌群，被称为 Asgard 演化支。人们从它们的基因中推断出了一些具有理论意义的真核生物特征（Eme 等人，2017 年）。这些基于基因的推论表明，真核生物完全属于古菌范畴，它们形成了一个形态相当异质的群体，但仍然服从于其基本的古菌身份（Williams 等人，2020）。同样的推论也表明，真核生物起源于逐渐发生的阶段，由各种基因多样化（包括基因转移）驱动，而细菌最终通过内共生获得线粒体的过程可能发生在进化的后期（Pittis & Gabaldón，2016）。换句话说，这种“转变”主要并非由个体性的转变驱动，而首先是一个关于古菌内部多样化的故事。关于现存的与真核生物最接近的古菌亲属，仍有许多细节有待揭示，但一个明确的信息已经存在：理解真核生物的起源需要理解古菌的进化。

即使沿着生命树的历史分支进一步深入，深入了解后生动物的起源和多样化，我们也能学到类似的教训。尽管经典的进化模式并不将后生动物的起源视为重大转变，但从人类的角度来看，这仍然是一次具有特殊重要性的多样化进化（Carroll 2001）。即使真核生物的起源被认为毫无意义，因为它们的原始状态必然是单细胞的，但没有人会否认后生动物的起源与理解人类进化息息相关，因为所有后生动物都是多细胞的，而人类是其中的一个群体。

然而，有趣的是，近年来在理解后生动物起源方面取得的大部分进展，很大程度上依赖于对动物近亲单细胞生物的发现，特别是领鞭毛虫，以及与后生动物关系稍远的原生生物——丝虫和鱼孢子虫。对这些生物的基因组和实验分析使我们能够对曾被认为是后生动物独有的基因和特征进行进化推断。事实证明，许多曾被认为是后生动物进化所独有的特征的遗传基础也存在于与其密切相关的单细胞生物中。粘附能力、发育信号通路以及“后生动物特异性”基因调控因子——所有这些通常不被认为是单细胞生物的特性——早在后生动物起源之前就已存在 (King 等人 2008; Sebé-Pedrós 等人 2017)。此外，许多现存的后生动物单细胞近亲在其生命周期的不同阶段过渡时会转变为不同的细胞类型。某些阶段会形成复杂的多细胞结构，有时可能是由与细菌的相互作用驱动的 (Alegado 等人 2012; Woznica 等人 2016)。这个故事的寓意正逐渐为人熟知：即使是被认为最复杂的生物（因为产生了我们自身）的进化分化，也需要从微生物的角度来理解。

到目前为止，本文从“微生物视角”探讨了微生物的生物分类、生态学和进化。当然，微生物学是一个完整的科学领域，它是一系列专门用于揭示微生物世界运作方式的方法。现在，我们将更直接地探讨这门科学及其一些哲学含义。

3. 微生物科学

未来的微生物学将成为主要的生物科学，是我们未来理解生物世界的基础，也是对生物世界产生新理解的源泉。（摘自 Woese 1994[6] 期刊摘要）

尽管有人认为微生物学始于 17 世纪早期的显微镜技术（例如 Gest 2004；Lane 2015），但细菌学乃至最终的微生物学的学科起点通常被赋予在几个世纪后的实验转向（Bulloch 1938）。早期的显微镜技术固然允许进行观察性微生物学研究，但它只带来了有限的分类，以及对微生物持续作用的更有限的洞察。19 世纪下半叶，微生物实验逐渐规范化，旨在了解特定微生物对动植物疾病的特定且稳定的影响。这一新兴传统的核心内容涉及纯培养技术、科赫法则和细菌理论。这些理论都具有持续的哲学影响。

十九世纪后期，医学发生了根本性的变化，许多医学史学家认为，通过实验室方法对微生物的仔细研究是这一转变的核心（例如，Worboys 2000；Kreuder-Sonnen 2016）。纯培养，即在实验室中培养分离的、推测为病原体的微生物，是医学发展的第一步。通常，细菌和其他微生物生活在复杂的多物种群落中。然而，这样的群落对于识别和干预疾病的病因毫无用处。十九世纪实验室科学的各种创新（玻璃器皿、生长培养基、鉴定方法、显微技术）使得可验证的单一物种纯培养物能够独立于宿主生物进行培养。这样的培养反过来又使得柯赫因果关系法则得以实现。科赫法则是一种通用方法，用于识别特定细菌的致病结果。从患病宿主中分离并培养的微生物被引入未患病宿主体内，以观察是否发生相同的疾病。然后，从新的发病部位进行的培养证实了可疑微生物的存在及其活性 (Ross & Woodward 2016; Gillies 2016)。一旦确定这些因果关系具有高度特异性和稳定性，疾病的细菌理论就能将所有此类发现纳入一个具有预测能力的通用框架（例如，结核病总是由一种特定的细菌引起，这种细菌当时被称为结核杆菌）。因此，细菌理论所蕴含的系统性和实验性开启了医学的转型，从一种纯粹的观察性且通常以轶事为基础的活动，转变为一种日益实验性且科学性强的研究项目，并取得了治疗和预防方面的成功 (Worboys 2000; Vernon 1990)。因此，自19世纪末以来，对细菌和其他微生物的研究被整合到大学、医院和独立机构（包括工业界）的一系列既定学科中（Vernon 1990）。

微生物学这种渗透并改变其他领域的趋势是该学科发展的标志。20世纪中期诞生的分子微生物学充分体现了这一趋势。随着细菌理论对微生物和疾病的解释取得成功，微生物生物化学蓬勃发展，因为微生物学家开始关注微生物发挥作用的精确因果途径（无论是在宿主体内还是其他环境中）。微生物在实验室中的易处理性及其代谢功能的多样性，催生了大量关于细菌生物化学的实验文献（例如，Kluyver 1936；Stephenson 1939）。20世纪40年代，这一背景促成了分子生物学这一新兴领域的诞生，该领域最初所有重大发现均源于微生物系统。大肠杆菌（E. coli）尤其在构建我们对生命基本原理——基因结构、复制和表达的物理和化学基础——的图景中发挥了认知上的首要作用……[这些以及其他]原核生物为我们提供了至今仍与所有生物体相关的分子生物学语言和大量知识。 （Davis 2003: 154；另见Brock 1990）

DNA作为遗传物质的鉴定最初是在细菌和病毒实验系统中进行的（Avery等人，1943；Hershey和Chase，1952）。随后，分子生物学扩展到基因组测序和宏基因组学（对整个群落基因组进行测序和分析），并在微生物中蓬勃发展。这种更广阔的分子范围不仅促进了方法论和技术的进步（参见SEP条目“基因组学和后基因组学”），也带来了对生物圈大片区域进化历史和群落动态的重大进化和生态学洞察（Davis 2003；Handelsman 2004）。大多数关于重大进化转变的新经验见解（如2.2.3小节所述）都基于这些基因组学和宏基因组学的微生物研究。

无论在分子生物学的早期还是后期发展中，微生物在许多方面都发挥着作为生物学洞察和技术发展的通用分子模型的作用。微生物能够充当普遍生命的替代角色，这一事实本身就推动了该领域的诸多成功。然而，令人担忧的是，微生物的实用性仅限于它们能为研究人员提供关于微生物生命的信息，而微生物学研究产生的知识将始终局限于微生物生物学的各个方面。例如，20世纪50年代，在大肠杆菌及其一种病毒中发现了以操纵子（被视为基因调控单元的基因模块）形式存在的基因调控（Jacob & Monod 1961）。尽管如今已知细菌和真核生物的基因调控之间存在许多重要差异，并且仅在细菌内部就存在不同的基因调控模式（Beckwith 2011），但大肠杆菌操纵子模型却开启了一个全新的研究领域，其驱动力源于人们对如何有效控制基因表达的普遍期望（Brenner et al. 1990）。最终，为了确定真核生物基因调控的额外复杂性以及与细菌模型的差异，必须在可驯化的多细胞生物体中进行真核基因调控的研究。

4. 微生物作为模型

从上述历史讨论中可以汲取的教训是，尽管任何模型系统的适用性都存在明显的局限性，但同样明显的是，微生物在模拟一般生命过程方面具有卓越的能力。本节将详细阐述微生物模型的各种应用方式。

4.1 微生物模型的优点

虽然各种各样的物理模型在科学领域广泛应用，但模型生物是生命科学特有的一种模型系统。“模型生物”通常指通过繁殖、增殖、并在生物医学和生命科学的实验室中得到研究。典型的动物例子包括线虫（“蠕虫”）、果蝇（果蝇）和小鼠。拟南芥（芥菜）是一种重要的植物模型。酵母是真菌的代表，它也被用来模拟所有真核生物（Botstein & Fink 2011）。虽然大量重要的模型生物研究是在相对较大的生物体上进行的，但微生物被认为是特别易处理的模型系统。在实验进化和生态学中尤其如此，微生物系统使研究人员能够研究多代大型种群的动态过程。这些建模能力具有普遍的哲学意义。

利用模型生物进行建模的方法论和认识论是科学史和科学哲学中日益受到讨论的话题（Ankeny & Leonelli 2011；Endersby 2007；另见SEP条目“生物学实验”）。这些讨论包括近期关于模式生物属于何种模型以及它们是否符合真正模型的争论。许多建模哲学家将模式生物与其他物理类似模型归为同一类别，例如用于研究空气动力学的模型飞机或用于模拟实验室地质过程的沙箱（Weisberg 2013；McClay and Dooley 1995；SEP 条目“科学中的模型”）。然而，Levy & Currie (2015) 反对这种做法，他们认为模式生物并非理论模型，并非指作为自然界目标系统类似物进行研究的解释性结构。相反，他们将生物模型视为更广泛生物类别的样本（并因此成为推断的基础）。然而，Levy 和 Currie 确实认为，承认在某些情况下，例如实验进化和生态学，生物体模型可以发挥与理论模型非常相似的作用。微生物是实验环境中模拟系统的常见选择。

关于此类生物体类似物如何运作的早期例证，可以参见 Georgii Gause 在 20 世纪 30 年代对跨物种竞争建模的研究。Gause 想要一个简单易操作的实验室系统，使他能够“消除众多次要因素的复杂影响”并“理解生存斗争基本过程的机制”（Gause 1934a: 92, 6）。为了用物理术语表示模拟种群承载力的逻辑斯蒂方程，Gause 建立了一个包含两种草履虫（尾草履虫和金草履虫）的实验系统，这两种草履虫都以细菌为食。Gause 预计物种间的间接竞争会改变其中一个物种的承载力。当草履虫被物理隔离时，每个种群都达到了生长平衡，但当它们被放在一起并竞争相同的有限细菌资源时，一个物种会导致另一个物种灭绝。这种从逻辑斯蒂方程外推的结果如今被称为竞争排斥原理，并已成为生态学的核心原理（Hardin，1960）。数学模型和实验模型都得出了相同的结论。

然而，Gause 随后尝试用微生物模型来证明另一个直接跨物种竞争（以捕食者-猎物关系的形式）的数学模型——Lotka-Volterra 方程——所代表的基本机制。在这种情况下，他的实验系统屡屡未能捕捉到方程的振荡动力学。这次，他使用了草履虫（P. caudatum）及其单细胞捕食者Didinium nasutum。除非Gause引入额外的物理参数或修改数学公式，否则这两个物种最终都灭绝了（Gause 1934b）。这是否意味着微生物根本无法捕捉到合适的动力学，并且作为数学模型的实验表征是不可靠的？事实上，大量的后续实验发现，除非对基本变量进行重大修改，否则Lotka-Volterra方程预测的长期振荡在任何生物模型系统中都无法实现。直到最近，在一个由单细胞藻类和微观后生动物捕食者组成的实验模型中，这些振荡才在数代之后得以实现（Blasius等人，2020）。[7]

当代微生物建模的一个标志性案例是理查德·伦斯基（Richard Lenski）的长期进化实验（Fox & Lenski 2015）。伦斯基团队利用大肠杆菌的单个祖先基因组，在相同的烧瓶环境中发现了12个最初基因相同的菌落。他们开始繁殖这些菌落，方法是每24小时将一个菌落样本从一个混合均匀的烧瓶转移到一个新的烧瓶中（以补充菌落资源）。伦斯基团队于1988年开始这项实验，至今仍在进行中。这意味着到2020年初，微生物进化已经超过7万代。[8] 这些数字是由于大肠杆菌菌落每天再生略多于六次，而资源限制使这一数字保持稳定。该实验最初的主要动机是通过在受控环境下实时研究进化，进一步了解适应性和多样化的长期动态。由于种群最初完全相同，并且生活在相同的环境中，因此随着时间的推移，适应性、生理或形态上的任何差异都完全归因于克隆谱系中的新突变（不易发生重组）。长期进化实验带来了许多见解，包括关于突变动态、偶然性在进化轨迹中的作用以及复杂新特征的进化起源的推论（Fox and Lenski 2015）。虽然在少数情况下，这些发现仅限于针对大肠杆菌和类似细菌的推论（例如，Sniegowski et al. 1997），但大多数被认为适用于普遍的长期进化过程和动态。换句话说，实验室中的微生物并非仅仅模拟微生物，而是充当了一扇透镜，让我们能够更广泛地理解生命进化的现象。在某些重要方面，这些实验系统的运行方式类似于算法：精确的迭代过程会导致各种结果，并且可以在整个过程中的不同点循环运行。

算法当然是计算模拟的基础。或许是受到这些结构相似性的启发，Lenski 团队和其他合作者将注意力转向了一种名为 Avida（Lenski 等人，2003）的基于代理的模拟模型。在这个计算模型中，自我复制的“数字生物”以计算机内存的形式竞争资源，并随着时间的推移在其“基因组”（计算机代码串）中积累突变。Lenski 及其同事非常清楚，他们研究 Avida 的目的，就像研究烧瓶中的大肠杆菌一样，是为了推断出整个进化世界的一些规律：“当我们研究这个易于操控的系统时，我们的目标是阐明与任何进化系统相关的原理”（2003: 139）。由于 Avida 允许通过算法程序对进化轨迹进行开放式探索，这种模拟进化的方式与实验室中的细菌研究高度互补。

举个例子：Lenski 的长期进化实验中最著名的结果或许是十二个大肠杆菌谱系中只有一个谱系的柠檬酸利用起源（Blount 等人，2008）。柠檬酸存在于细菌生长培养基中，是一种潜在的能量来源，但大肠杆菌缺乏在有氧条件下（即有氧条件下）利用柠檬酸的能力——或者至少在实验进行到大约31,500代时，一个菌株积累了与柠檬酸生长相关的突变。这种新的能力使该菌群相对于不以柠檬酸为食的菌株具有相对优势。