微生物学哲学（二）

因此，无论从形而上学的角度还是从实用的角度来看，生命之树都成为了一个值得怀疑的概念（Doolittle & Bapteste 2007；Dagan & Martin 2009）。至少，任何反思生命之树及其代表意义的哲学家都必须考虑微生物进化（Velasco 2010）。

2.2.3 进化的主要转变

自 John Maynard Smith 和 Eörs Szathmáry 的著作《进化中的重大转变》（The Major Transitions in Evolution，1997）以来，重大转变一直是生物学哲学的一个焦点话题。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。对进化中重大转变的哲学讨论主要围绕寻找一个统一的主题，将重大转变纳入单一理论（推动许多物种和生命之树讨论的相同愿望）。该主题的一个常见选择是个体性，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 et al. 2017; Michod 2011; 然而，参见 O'Malley and Powell 2016） 。但无论对进化转变的本质有什么特定的理论承诺，微生物进化对于理解地球上的生命在达到当前状态的过程中所进行的各种转变至关重要。即使理论家只想了解真核生物的进化，或者即使他们只关心后生动物的起源——人类所属的真核生物的“王国”，情况也是如此。 [5]

真核生物是一种以细胞内复杂性为特征的生物体，特别是其细胞内的细胞器。大多数原核生物不表现出相同程度的区室化（然而，参见 Murat 等人，2010）。大多数真核生物是单细胞的（Burki et al. 2020），但肉眼可见的真核生物几乎都是多细胞的，而且常常很引人注目。科学家和哲学家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）。尽管可能有许多生态原因维持这种印象（即大型生物体对环境的巨大影响；参见 Enquist 等人，2020），但最近关于真核生物起源的发现可能至少会稍微缓和这种观点。

关于真核生物起源的长期观点是： A. 它们起源于细菌和古细菌的合并； B. 这个独特的谱系蓬勃发展，并在系统发育中开辟了自己的“领域”空间（见表 1）。作为一个域至少部分是由构成真核生物的生物体的多样性和复杂性所证明的（Butterfield 2014）：植物、动物、真菌和原生生物。然而，最近发现了不同的古菌群，称为阿斯加德进化枝。理论上重要的真核特征已经从它们的基因中推断出来（Eme et al. 2017）。这些基于基因的推论表明，真核生物牢牢地属于古细菌领域，它们形成了一个形态上相当异质的群体，但仍然服从于它们的基本古细菌身份（Williams et al. 2020）。同样的推论还表明，真核生物是在各种基因多样化（包括基因转移）的驱动下逐渐起源的，并且成为线粒体的细菌的内共生获得可能发生在进化故事的后期（Pittis & Gabaldón 2016）。换句话说，这种“转变”主要并不是由个性的转变驱动的，而首先是一个关于古细菌内部多样化的故事。关于与真核生物最接近的古细菌群的现存亲属，许多细节仍有待透露，但已经有一个明确的信息：了解真核生物的起源需要了解古细菌的进化。

即使沿着生命之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，也可以学到类似的教训。尽管经典方案并未将后生动物的起源视为重大转变，但从人类的角度来看，它仍然是一种特别重要的多样化（Carroll 2001）。即使真核生物的起源被认为是无趣的，因为它们的原始状态必然是单细胞的，但没有人会不同意后生动物的起源与理解人类进化高度相关，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，最近在了解后生动物起源方面取得的进展很大程度上取决于对动物的单细胞近亲的发现，特别是领鞭毛虫以及稍远的原生生物，即丝虫类和鱼孢子类。对这些生物体的基因组和实验分析允许对曾经被认为仅是后生动物的基因和特征进行进化推断。事实证明，许多曾经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密切相关的单细胞生物中。粘附能力、发育信号通路和“后生动物特异性”基因调控因子——所有这些特征通常不被认为是单细胞生物的特性——早已存在后生动物起源（King et al. 2008；Sebé-Pedrós et al. 2017） 。此外，许多现存的后生动物单细胞近亲在过渡到生命周期的不同阶段时会转变为不同的细胞类型。某些阶段形成复杂的多细胞排列，有时可能是由与细菌的相互作用驱动的（Alegado et al. 2012；Woznica et al. 2016）。这个故事的寓意因此变得熟悉：即使是被认为是最复杂的生物体的进化分歧（因为产生了我们自己）也需要从微生物的角度来看。

到目前为止，这篇文章已经从生物分类、生态学和进化的“微生物之眼”角度讨论了微生物。当然，有一个完整的科学领域叫做微生物学，它是专门为揭示微生物世界中正在发生的事情而设计的方法的集合。我们现在更直接地研究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，是我们未来对生命世界的理解的基础，也是对生命世界新的理解的源泉。 （摘自Woese 1994年期刊摘要[6]）

尽管可以说微生物学始于十七世纪初的显微镜（例如，Gest 2004；Lane 2015），但细菌学和最终微生物学的学科起点通常被赋予几个世纪后的实验转向（Bulloch 1938） 。早期的显微镜确实可以观察微生物学，但它产生了有限的分类，甚至对微生物可以持续做什么的了解也更加有限。十九世纪下半叶，微生物实验被编入法典，目的是了解特定微生物对动植物疾病的特定和稳定的影响。这一新兴传统的核心部分涉及纯培养技术、科赫假设和细菌理论。其中每一个都具有持续的哲学影响。

十九世纪下半叶，医学发生了根本性的变化，许多医学史学家将通过实验实验室方法对微生物的审查视为这一转变的核心（例如，Worboys 2000；Kreuder-Sonnen 2016）。纯培养是第一步，其中在实验室中培养分离的和推定的致病微生物。通常，细菌和其他微生物生活在复杂的多物种群落中。但是，此类社区对于识别和干预疾病的原因毫无用处。十九世纪实验室科学（玻璃器皿，增长媒体，识别方法，微图）的各种创新使单个物种的可验证纯文化独立于其宿主生物而种植。这些文化反过来允许科赫因因果关系的实施。

科赫的假设是鉴定特定细菌因果结果的一般方法。从患病宿主分离和生长的微生物被引入非释放的宿主，以查看是否患有相同的疾病。然后，该新疾病部位的培养物证实了可疑微生物的存在和活动（Ross＆Woodward 2016; Gillies 2016）。一旦确定这些因果作用是高度特异性和稳定的，疾病的细菌理论就可以将所有这些发现将所有这些发现带入一个具有预测能力的常见框架（例如，结核病将始终由特定的细菌引起，然后被称为该细菌，然后被称为结节芽孢杆菌）。因此，基础细菌理论的系统性和实验性开始了医学的转化，从纯观察性的，通常是轶事活性转变为具有治疗和预防成功的越来越实验性和科学强大的研究计划（Worboys 2000; Vernon 1990）。结果，对细菌和其他微生物的调查被整合到19世纪后期的大学，医院和独立机构（包括行业）的一系列既定学科中（Vernon 1990）。

微生物学遍及其他领域的这种趋势是该科学发展的标志。分子微生物学是二十世纪中叶的产物，充分说明了这一趋势。遵循微生物和疾病的细菌理论叙述的成功，微生物生物化学蓬勃发展，因为微生物学家的重点是微生物获得其作用的确切因果途径（无论是在宿主还是在其他环境中）。微生物的实验室障碍及其代谢成就的多功能性引起了有关细菌生物化学的广泛实验文献（例如，Kluyver 1936; Stephenson 1939）。在1940年代，这种背景本身借给了分子生物学的新兴领域，其中所有最初的主要发现都是在微生物系统中进行的。细菌大肠杆菌（大肠杆菌）具有认知

伪造我们生命基础的图片的首要地位 - 基因结构，复制和表达的物理和化学基础……[这些和其他]原核生物为我们提供了与所有生物学相关的分子生物学的语言和许多知识。 （Davis 2003：154；另请参见Brock 1990）

DNA作为遗传的材料的完全鉴定是在细菌和病毒实验系统中进行的（Avery等，1943; Hershey＆Chase 1952）。随后，分子生物学扩展到基因组测序和宏基因组学（整个社区基因组的测序和分析）开始并在微生物中蓬勃发展。这种更广泛的分子范围不仅可以实现方法论和技术进步（请参阅《基因组学和基因组学》的SEP输入），还可以对生物圈大量大小的进化历史和社区动态进行重大进化和生态见解（Davis 2003; Handelsman 2004）。大多数对主要进化转变的新经验见解（如第2.2.3节所述）是基于这些基因组和元基因组微生物研究的。

在分子生物学的早期和后期发展中，微生物在许多方面起着生物学见解和技术发展的一般分子模型的作用。微生物可以在总体上扮演生命的这种替代角色这一事实在该领域取得了许多成功。但是，可能会担心微生物仅对他们告诉研究人员有关微生物的生活有用，并且微生物研究所产生的知识始终仅限于微生物生物学的各个方面。例如，在1950年代（Jacob＆Monod 1961）中，发现了以操纵子（被视为遗传调节单位的模块）以及其中一种病毒的形式调节基因调节（Jacob＆Monod 1961）。但是，尽管现在众所周知，细菌和真核基因调节之间存在许多重要差异，而仅在细菌中进行了不同的基因调节模式（Beckwith 2011），但大肠杆菌操纵子模型启动了整个研究领域，这是由一般期望驱动的，这是关于如何如何驱动的。基因表达可以有效控制（Brenner等，1990）。最终，必须在可牵引的多细胞生物中研究真核基因调节，以确定细菌模型的真核生物基因调节的其他复杂性和差异。

4。微生物作为模型

从上面的历史讨论中学到的教训是，即使任何模型系统的适用性都有明显的限制，同样清楚的是，微生物在一般而言的生活过程中都很出色。本节详细阐述了这种情况。

4.1微生物模型的优点

尽管在整个科学中都使用了各种物理模型，但模型生物是生命科学特有的模型系统。 “模型有机体”通常是指在生物医学和生命科学的实验室中繁殖，繁殖和研究的生物。经典的动物例子包括线虫（“蠕虫”），果蝇（果蝇）和小鼠。重要的植物模型是拟南芥（芥末酱）。真菌由酵母代表，该酵母也用于对所有真核生物进行建模（Botstein＆Fink 2011）。尽管在相对较大的生物体上进行了大量重要的模型生物研究，但微生物被认为是特别可捕捉的模型系统。在实验进化和生态学中，这种情况非常大，微生物系统允许研究人员研究许多世代中大量人群的动态过程。这些建模能力具有一般的哲学意义。

使用模型生物建模的方法和认识论是在科学历史和哲学中越来越多的讨论的话题（Ankeny＆Leonelli 2011; Endersby 2007;另请参见《生物学实验》的SEP条目）。这些讨论包括有关哪种模型生物是哪种模型，以及它们是否符合真正模型的辩论。许多建模哲学家将模型生物分类为与其他物理模拟模型相同的类别，例如用于空气动力学研究的模型飞机或用于模拟实验室地质过程的沙箱（Weisberg 2013; McClay和Dooley 1995; SEP进入的进入）关于科学模型）。但是，Levy＆Currie（2015）反对这种做法，认为模型生物不是理论上的模型，而在解释的结构意义上是自然界中目标系统的类似物。取而代之的是，他们将生物模型视为广泛的生物类别的标本（从而为外推）的标本。但是，Levy和Currie确实承认，在某些情况下，例如实验进化和生态学，有机模型可以与理论模型的作用非常相似。微生物是在实验环境中作为模拟系统的常见选择。

早期的例证说明了如何在1930年代的乔治·加斯（Georgii Gaus）的作品中找到这种生物类似物的工作。加斯想要一个简单，易于操纵的实验室系统，使他“消除众多次要因素的复杂影响”和“了解生存斗争的基本过程的机制”（Gause 1934a：92，6）。为了用物理术语代表载有种群能力的逻辑方程，Gause建立了一种实验性的帕拉西亚，阿拉米氏菌和aurelia的种群的实验系统，两种都吃了细菌。加斯预计，该物种之间的间接竞争将改变一个物种的承载能力。当帕拉西亚物理分离时，每个种群达到生长平衡，但是当它们被放在一起并竞争相同的限制细菌资源时，一个物种驱动了另一个灭绝。如今，从逻辑方程式中推断出的推断被称为竞争排除原则，并已成为生态学的核心原则（Hardin 1960）。数学和实验模型得出了相同的结论。

但是，加斯然后尝试使用微生物模型来演示直接种间竞争的另一个数学模型（以捕食者 - 捕集关系的形式），Lotka-volterra方程中表示的基本机制。在这种情况下，他的实验系统反复未能捕获方程的振荡动力学。这次，他使用了一种Paramecia（P. caudatum）及其单细胞捕食者Didinium Nasutum。这两个物种都灭绝了，除非加斯引入了其他物理参数或修改了数学（Gause 1934b）。这是否表明微生物根本无法捕获适当的动力学，并且作为数学模型的实验表示不可靠？实际上，随后的实验的广泛历史发现，除非对基本变量进行了重大变化，否则在任何有机体模型系统中，Lotka-Volterra方程预测的长期振荡都无法实现。直到最近，这些振荡才在许多世代中实现，该实验模型由单细胞藻类和微观后生动物捕食者组成（Blasius etal。2020）。[7]

理查德·伦斯基（Richard Lenski）的长期进化实验是微生物建模的标志性当代例子（Fox＆Lenski 2015）。 Lenski的小组使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十二个最初遗传相同的种群。他们开始通过将人口样本从混合的烧瓶转移到每24小时的新鲜烧瓶（以补充资源）来传播人群。 Lenski的小组于1988年开始了该实验，今天仍在进行，这意味着已经发生了超过70,000代的微生物进化。[8]这些数字是由于大肠杆菌种群每天再生六次以上，资源限制使该数字保持稳定。

实验的主要原始动机是通过实时研究进化，以在受控的环境中实时研究进化，以了解有关适应和多样化的长期动态的更多信息。由于种群开始时完全相同并生活在相同的环境中，因此随着时间的流逝而产生的适应性，生理学或形态的任何差异完全归因于克隆谱系中的新突变（不容易重组）。长期演化实验中有许多见解，包括有关突变动力学的推论，进化轨迹中机会的作用以及复杂新颖特征的进化起源（Fox and Lenski 2015）。尽管在少数情况下，这些发现仅限于有关大肠杆菌和类似细菌的推论（例如，Sniegowski等人，1997年），但大多数被认为适用于一般的长期进化的过程和动力学。换句话说，实验室中的微生物不是仅仅对微生物进行建模，而是用作镜头，可以更广泛地了解不断发展的生活现象。在某些重要方面，这些实验系统像算法一样运行：确切的迭代程序，导致各种结果，并且可以在整体过程中的各个点循环并重新运行。

算法当然是计算模拟的基础。 Lenski的小组和其他合作者也可能受到这些结构相似性的启发，将注意力转向了一个名为Avida的基于代理的仿真模型（Lenski等，2003）。在这种计算模型中，自我复制的“数字生物”以计算机记忆的形式竞争资源，并且可以随着时间的流逝积累突变的“基因组”（计算机代码的字符串）。 Lenski及其同事非常清楚，当他们研究Avida时，就像他们在烧瓶中研究大肠杆菌时一样，目的是推断出关于不断发展的世界的某些东西：“当我们研究这种可牵引的系统时，我们的目标是脱离关于与任何不断发展的系统相关的原则的启示”（2003：139）。因为Avida允许通过算法程序开放对进化轨迹的探索，因此这种建模进化的方式证明对研究实验室中的细菌是高度互补的。

举一个例子：也许是Lenski的长期演变实验的最著名的结果是仅在十二个大肠杆菌谱系之一中柠檬酸盐利用的起源（Blount等，2008）。柠檬酸盐存在于细菌生长培养基中，是一种势能来源，但大肠杆菌缺乏有氧使用的能力（即在存在氧气的情况下），或者至少，直到31,500代当一种菌株积累与柠檬酸盐生长有关的突变时，进入实验。这种新的能力使人口比非柑橘菌株具有相对优势。

为了弄清楚这是如何发生的，研究人员重建了导致多步创新的特定进化轨迹（Blount等，2012）。由于模型系统的障碍性，他们能够进行逐步重建，尤其是因为它们在每个细菌谱系的进化史上都有冻结的常规时间点。大型细菌种群可以冷冻并随后复活。因此，研究人员可以维持“冻结的化石记录”（Lenski 2011），并将当前人群的特征（例如健身或形态）与其祖先人群的特征进行比较，或者在其进化轨迹中重建步骤。在这种情况下，可以对冷冻种群样本进行顺序分析以推断突变步骤的顺序。在AVIDA模拟中发生的复杂突变可以进行非常相似的重建（Lenski等，2003）。研究人员能够多次重新运行计算机模型，以了解复杂突变积累的每一步，在这种情况下，逻辑函数比数字有机体计算机代码基因组中的任何基本指令更为复杂。这使研究人员能够研究突变的积累，从而在两个互补和可比的模型系统中产生复杂的新颖性状。