在自然历史博物馆里，细菌或许不像四楼那些恐龙那样占据醒目的位置；礼品店里也可能没有专为它们制作的塑料玩具。不过，若论演化持久力，这些小家伙可是货真价实的冠军。
细菌在生命诞生之初就出现在地球上，大约距今35亿年前。从那时起，它们展现出惊人的演化适应能力，既生活在平流层高处，也生活在地表以下数英里深处；既栖居于寒冷的北极湖泊，也栖居于温度极高的热液喷口。
但这些微小生物并非只是被动适应者或机会主义者。它们在塑造我们的环境方面发挥了重要作用。微生物创造了我们呼吸的大气氧气，如今还通过分解废弃产物并循环利用重要营养物质，补充地球生态系统。
哥伦比亚大学 丹尼斯·维特库普的系统生物学系 系统生物学 和 生物医学信息学系副教授维特库普认为，细菌还与我们每个人都有着密切关系。“如果计算你体内细胞的总数，细菌数量大约是人体细胞的10倍。我们和它们过着高度协同的生活，”维特库普说。
细菌对我们的福祉和环境的贡献通常难以察觉，因为它们体形微小。但看不见并不意味着不重要。“如果细菌突然消失，地球上的生命很快就会停止，” 赫尔曼·普拉塔说。他是维特库普团队的博士后研究员。
丹尼斯·维特库普教授创作的合成插图，呈现了多种细菌的外部形态。
尽管微生物无处不在，研究其演化适应仍常常颇具挑战，部分原因在于难以在实验室培养多种细菌。“真正经过实验室深入研究的细菌可能还不到十种，”维特库普说。
今年1月，维特库普和普拉塔在《 自然 》杂志发表文章，运用计算工具研究细菌的演化适应：他们模拟了300多种细菌的代谢，涵盖整个微生物生命之树。
为了理解数十亿年来演化适应的复杂规律，维特库普援引了达尔文著名的雀类。在数百万年的时间里，不同岛屿上的雀类逐渐演化出不同形状的喙，使它们能够拾取并食用不同种类的种子。动物外貌上的差异，例如喙的形状，甚至行为差异，都是遗传差异的外在表现，研究人员通常称之为表型差异。“但要如何比较细菌在数十亿年间的表型差异呢？”维特库普问道。
维特库普和普拉塔从一个关键观点入手：细菌生存的关键因素是它们利用不同食物来源生长的能力。某种细菌的表型取决于它能否将可用营养物质转化为生长和繁殖所需的化学物质。随后，团队利用细菌代谢模拟，预测了数百种环境中的表型。普拉塔说：“细菌代谢就像一种显微镜，可以帮助我们辨识表型适应和多样化的模式。”
维特库普团队发现，细菌的长期适应分两个不同阶段进行。起初是相对快速的多样化过程，持续数千万年；随后是缓慢的分化过程，延续数十亿年。
令人惊讶的是，团队能够用一个简单的数学模型描述长期多样化的平均情况。模型表明，平均而言，在数十亿年的时间尺度上，表型变化速率保持恒定，这揭示了自地球生命起源以来细菌适应过程的连续性。
维特库普出生于乌克兰，曾在莫斯科物理技术学院学习理论物理。1992年，年仅21岁的他移居美国，在布兰代斯大学攻读生物物理学博士学位，后来进入哈佛大学马丁·卡普拉斯（2013年诺贝尔化学奖得主）的实验室，使用计算机模拟蛋白质动力学。
维特库普在麻省理工学院和哈佛医学院完成博士后研究后，于2004年来到哥伦比亚大学。维特库普的前学生普拉塔毕业于哥伦比亚国立大学，获生物学学位。2008年，他在祖国从事植物生物技术研究后，加入了这里的研究生项目。
过去十年来，维特库普研究组一直在开发计算机算法，利用DNA序列和已知的生化相互作用，列出某种微生物中可能存在的代谢反应。这些方法有望用于对抗致命病原体。事实上，这些算法已被用于拼接出疟原虫的代谢网络。普拉塔说：“这使我们能够预测约40个新的治疗靶点。”去年，维特库普获得美国国立卫生研究院的一项拨款，用于为所有主要的人类细菌病原体建立准确的代谢模型。
维特库普实验室开发的计算算法，使研究人员能够分析未来十年将完成测序的数十万个细菌基因组。维特库普说：“就像核研究领域的模拟一样，我们正迈向一个新时代：大部分工作将在计算机上完成，然后在某些情况下，再在实验室里通过实验研究结果。”维特库普及其同事面临的下一个挑战，是提高研究的复杂程度，理解数百种细菌如何在共生微生物群落中协同工作。维特库普说，这令人振奋，因为“我们现在拥有真正理解这个不可见微生物世界之美与复杂性的工具”。
本文与 哥伦比亚新闻合作发表。本文的发表并不意味着世界经济论坛认同其中观点。
如需及时了解议程动态， 请订阅我们的每周简报。
作者：丹尼斯·维特库普是哥伦比亚大学系统生物学系和生物医学信息学系副教授。赫尔曼·普拉塔是维特库普团队的博士后研究员。
图片：显微镜下的肠道细菌。路透社。
