古往今来，每一个部落或国家发明出一种新式武器之后，敌对的部落或国家就会很快想出一种对付它的武器来。有矛就有盾，有弓箭就有盔甲，有偷袭轰炸机也就有了雷达。类似的，在生物亿万年的演化史中，捕食者与被捕食者也在训练着彼此的攻防能力。捕食者的捕猎技巧愈发进步，被捕食动物的逃避技巧以及防御性措施也会提高，然后捕食者又进一步更新捕猎的手段。如果狐狸跑得很快，自然选择留下的是比狐狸跑得更快的那一批兔子。于是狐狸还得加快速度。如果狐狸的视觉有所改进，留下的是与背景色更加难以分辨的兔子；这就选择出能用气味找寻兔子的狐狸，又选择出会躲到狐狸下风方向的兔子。因此，捕食者和被捕食者共同进化，日趋复杂。生物学家把这种现象归纳为“红色皇后原则”。这是引用了刘易斯·卡罗尔（Lewis Carroll）《爱丽丝镜中奇遇记》（Through the Looking-Glass）一书里“红色皇后”说的一句话。在书中，她告诉爱丽丝：“现在，你看，你必须努力奔跑才能保持原地不动。”
49
与捕食者和被捕食者之间的竞赛相似，病原体和宿主之间不断升级的“军备竞赛”代价极高，也制造了一批异常复杂的攻防系统。在人类社会，政治力量必须不断地把力量投入军备竞赛以免落在对手的下风。类似的，宿主和病原体都要演化得够快才能保持他们原来的适应水平。终会有一天，“军备竞赛”的耗费大到生物体耽误了其他方面的基本需求，然而失败的代价又是如此之高，以至于双方都不得不苦苦硬撑。我们与病原体正在进行一场经久不息的战争，双方永无可能达成彻底的调停协议。
宿主和病原体的关系表现出的对抗性、浪费性和毫不仁慈的破坏性，使得“军备竞赛”一词成为最贴切的描述。本章的后续部分将展开论述。作为引子，想一想整个人类历史中传染病酿造过多少人类惨剧吧！威廉斯（本书的作者之一）的外祖父母因脑膜炎去世，他的母亲在9岁时成了孤儿。他一个姐姐的好朋友在四年级时突然死于急性阑尾炎。这些微芥之物可不在乎什么达官显贵。卡尔文·柯立芝在继任总统前不久，他16岁的爱子在打网球的时候脚上磨出了一个水疱，这孩子仍然勇敢地坚持到比赛结束。不幸的是，水疱发生了感染，两周之后就夺去了他的生命。这位总统在感情上受到了沉重的打击（即使是他的追随者也承认这一点），以致任满一届之后无意谋求连任。
50
国际间的军备竞赛与宿主—病原体之间的协同演化当然不是完全一样。五角大楼能够在图纸上打出草稿，然后做出模型及样品。它可以进行合理的规划，失败了还可以重新再来，并在试错中不断改进。而演化的过程，没有幕僚顾问，也不知道怎样把科学知识用到新颖的毁灭性或者防御性武器中去。演化没有事先安排的计划，失败了也没有机会重来。演化过程里只有试错，以及不断的修补。每一代的微小变化逐渐在生存竞争游戏中积累或者淘汰。有一些带来了更高的繁殖率，群体也就向这边倾斜。这是一个相对缓慢、盲目的过程，有时还不免走入歧途；然而，自然选择产生出的适应性，却可以极尽精微。
演化的过去与现在
不少生物学家错误地认为，宿主和病原体通常处于一种缓慢的演变过程中，逐渐走向未来的最佳状态——多半是和平共处。这非常不切实际。病原体和宿主在对立的价值观之间交易，都必须保持一种接近平衡的稳定状态，诸如生长速度和防御活动，在平衡的过程之中，一方应变能力的微小改善，必定要导致另一方付出损失。瘦的兔子可能跑得快一点，但是瘦到一定程度之后，再瘦一点与饥饿所增加的风险相比就不合算了。同样，我们的发热反应可能也是经过优化的，至少在历史上的正常情况下是如此的。更严重更频繁的发热，可能会使我们较少受病原之害，然而组织损伤和营养消耗的代价可能弊大于利。当环境保持恒定时，这些都可以成立；如果环境发生了变化，宿主和病原体的最佳状态也需要重新调整。如果我们长时间控制住了病原体，那么我们的反应可能不会那么强烈；一旦技术出错，我们再次变得易于受害时，病原体可能会诱发更剧烈的发热反应。
在本书的其余章节，我们讨论的一般是人类在长期历史阶段建立起来的那些生物学性状。在本章，我们先来讨论那些短时间内发生的演化，长则数年，短则数周。因为病原体繁殖得非常快，所以它们的演化也十分迅速。
51
我们对抗疾病的某些策略，例如对抗疟疾的镰状细胞血红蛋白，是在过去的一万年左右产生的，也就是大约300代之前。人类作为一个物种，在过去的几百年里，也就是大约十几代人的时间，对诸如天花和结核之类的传染病产生了更高的抵抗力。与这相比，细菌一两个星期里就能繁殖300代，而病毒繁殖得更快。细菌一天的演化可以与我们一千年的演化相当，这就使得我们在与细菌的“军备竞赛”中明显处于下风。我们不能演化得更快，所以无法逃脱细菌的追杀。人类只好通过迅速改变各种产生抗体的细胞的比例去应付细菌快速的演变。幸好，这种化学武器工厂的数量和种类相当多，起码可以部分地抵消病原体巨大的演化优势。
从免疫学的角度看，一次流行病可能使人类群体发生显著变化。凡是曾患过流行病又康复的个体都可能对“再感染”免疫，因为他们带有大量新增加的淋巴细胞，后者能针对这种病原体合成具有极大杀伤力的抗体。另外，成年人对儿童期传染病，诸如流行性腮腺炎和麻疹等更具免疫力，这并不是因为基因有了什么变化，而是体内的抗体浓度升高了。
病原体的小个头给了它们另一个优势：它们的数量特别巨大。我们每个人身上的细菌数量比地球上的人口总量还多，大部分都栖息在我们的消化系统和呼吸系统。这种巨大的数量意味着即使是概率极小的突变也会经常出现，只要这种突变菌株比其他菌株有极细微的优势，它们就会繁殖得更多。我们由此可以推测，我们病原体的数量性状始终会快速演化，达到适应当前环境的最佳值。
52
在某些灾难性的瘟疫中，人群可以在几个月里演化出对这种传染病更强的抵抗力。当欧洲人首次到达新大陆的时候，某些欧洲传染病在极短的时间里造成了美洲土著90%以上的死亡率。如果美洲土著的易受伤害性是由于遗传上的原因，那么，在幸存者之中，这些抵抗基因的比例必然有所增加。我们就可以说，这个群体，在有限的意义上，演化出了更高的抵抗力。这是一个极端的例子。通常，流行病对人类基因库的影响极小，而病原体的特征却可能发生了巨大的变化。
耐受抗生素的细菌
20世纪医学取得的最大进步，也许是有史以来医学上最大的进步之一，是利用霉菌产生的毒素来治疗感染人体的各种细菌。这些毒素也就是抗生素。虽然艾立希（Paul Ehrlish）早在1901年就引入了有机砷用于治疗梅毒，然而抗生素的时代却肇始于1928年。那一年，弗莱明（Alexander Fleming）留意到，培养基中的细菌无法在青霉菌落的附近生长。为什么会有这种现象？为什么最有效的抗生素大都来源于霉菌？抗生素是霉菌与细菌为了对付竞争者或病原体而发明的化学武器。它们是在几百万年的鏖战中由自然选择出来的，专门针对细菌的弱点，却无损于霉菌。
53
霉菌和细菌产生的许多抗生素对人是安全的，却能扫除那些引起结核、肺炎及许多传染病的细菌。在过去的几十年里，抗生素的广泛使用使得发达国家中细菌感染引起的疾病大为减少，史称“抗生素的黄金时代”。再加上公共卫生条件的进步，传染病的死亡率急剧下降，以致1969年美国卫生总监踌躇满志地宣布：“现在，可以把与传染病相关的书收起来了。”
像其他“黄金时代”一样，它也没有延续很久。现在，危险的细菌，特别是引起结核和淋病的细菌，比10年或20年前更难控制了。病原体已经演化出耐受抗生素的本领，正如它们过去演化出耐受其他药物的本领一样。美国疾病控制与预防中心的米歇尔·柯恩（Mitchell Cohen）最近指出：“这些事件，使我们不得不考虑，我们是否正在逼近后抗生素时代。”
事实可能确实如此。以葡萄球菌为例，这是最常见的伤口感染细菌。1941年，所有这种细菌都可以被青霉素杀死。到1944年，已经出现了一些突变株能分解青霉素。到今天，95%的葡萄球菌都对青霉素有一定程度的耐药性。20世纪50年代中期发明的一种人工半合成的青霉素，甲氧青霉素（methicillin），能杀死这些抗药菌株。然而，细菌又同样演变出耐受甲氧青霉素的突变菌株；于是，我们又需要开发更新的药。20世纪80年代，人们对环丙沙星曾抱有很大希望，但现在，纽约市有80%的葡萄球菌对它有耐药性。在俄勒冈退伍军人医院，抗药菌株仅一年内就从不足5%飙升到80%以上。
54
20世纪60年代，大多数淋病是比较容易用青霉素控制的，抗药菌株则用氨苄青霉素对付。现在，已有75%的淋球菌株可以产生特殊的酶，使氨苄青霉素失活。其中一些变化是染色体突变经自然选择的结果。但是细菌还有别的办法：它们自己也被一些细小的环状DNA所感染，这种环状DNA也叫质粒（plasmid）。一些质粒会在细菌的基因组中留下一些片段，或者带着另外一些片段转移到另外的细菌体内。1976年，科学家发现淋球菌从大肠杆菌的质粒中获得了编码耐受青霉素酶的基因，所以现在泰国和菲律宾90%的淋球菌已经变成耐青霉素菌株。与此类似，1983年，荷比印地安保留地发生了一次严重的流行性腹泻病原菌。后来查明，病因是福氏痢疾杆菌（Salmonella fexneri），这株细菌来自一位妇女，她长期使用抗生素控制大肠杆菌引起的尿路感染。该福氏痢疾杆菌从大肠杆菌的质粒里获得了抗药基因。
现在，耐药细菌的清单越来越长，而且越来越可怕。由于耐药质粒的传播，法国约有20%的肺炎球菌现在都可以耐受红霉素。在南美洲，某些霍乱弧菌已对之前有效的五种药呈现出耐药性。阿莫西林对30%～50%的致病性大肠杆菌已经有效。看来，我们与红色皇后的赛跑，很难保持现有的名次了。
最危险的事情也许在于，在纽约城所有的结核案例中，1/3以上的病原菌耐受一种抗生素，而3%的新病例和7%的复发病中的病原菌则耐受两种或更多的抗生素。受耐药结核菌感染致病的病人中，只有50%的生存希望。这是与抗生素发明之前同样严峻的情况！结核病仍然是发展中国家里最常见的感染病之一，它占了成人死亡率的25%和全部死亡率的6.7%。1985年以前，美国结核病的发病率稳步下降，然而1985年至今却回升了18%。病例中约有一半是因为艾滋病引起的免疫缺陷，另一半是因为接触传染源和耐药性菌株的机会增多。
耐药细菌的日趋增多是人们最熟悉，也最了解的一种病原菌演化。自从20世纪50年代首次发现细菌耐药性以来，科学家进行了大量的55研究，并确立了不少重要的结论。
①细菌对抗生素的耐药性，不是单个细菌逐渐积累起来的耐受力，而是因为某种罕见的突变或者由质粒引进了新的基因。
②基因突变可由质粒或其他方式在不同的细菌之间传播。
③抗生素的存在，使最初极稀少的突变株迅速增多，并取代原来的始祖型细菌。
④如果除去该抗生素，始祖株又将逐渐取代该耐药菌株。
⑤耐药性菌株内的突变可以进一步增强，因此，加大抗生素剂量只会暂时有效。
⑥只能略微抑制细菌生长的低剂量抗生素，最终也会选出耐受这种抗生素的菌株。
⑦耐药性更强的菌株更有可能出现在抗药菌株中，而不是本来没有耐药性的菌株中。
⑧耐受一种抗生素可能也意味着耐受另一种抗生素，这种情形叫作交叉耐药性。当这两种抗生素的化学结构相似的时候，这更容易发生。
⑨最后，在没有抗生素的情况下，耐药菌株的劣势在进一步的演化过程中有可能得到弥补；因此，即使是在很长时间没有用过该抗生素的地方，耐药细菌仍然可能占有相当大的比例。
以上结论已经在医学实践中得到公认。如果某种抗生素没能控制住病情，与其加大剂量不如换另一种抗生素。避免长期使用抗生素；每天一粒青霉素曾经是预防心脏瓣膜感染的标准治疗方案，但这有可能筛选出耐药菌株。不幸的是，我们还有可能在不知情的情况下担上了风险：喂食过抗生素的动物会有痕量抗生素残留，当我们食用肉类、蛋、奶的时候，有可能接触了这些抗生素，从而筛选出耐药菌株。这一问题最近引起了饲养业主和公共卫生人士之间的冲突。饲养场是否需要使用抗生素，需要认真评估其经济价值，衡量是否值得去冒耐药性菌株出现的风险。哥伦比亚大学医学教授哈罗德·纽（Harold Neu）1992年在《抗生素耐药性危机》（The Crisis in Antibiotic Resistance）一文中指出：“避免耐药细菌的产生，医生和病人都可以有所作为：因为医生有开药的权力，而病人在确诊为病毒感染的时候应该避免要求使用抗生素（它只对细菌有效）。同样关键的是，医药工业也不能为了扩大营销额而纵容滥用抗生素。正是对人和牲畜的抗生素滥用，引起了我们目前的抗生素危机。”然而这样的建议恐怕会被人们当作耳边风。正如迈特·瑞德利（Matt Ridley）和鲍比·娄（Bobbi Low）最近在《大西洋月刊》（The Atlantic Monthly）上的一篇文章中所指出的：“对公众进行善意的道德劝诫即便受到欢迎，也很少有人会当真。要使人们为了公众利益合作，必须让不合作者付出代价。”
56
病毒的代谢机制与细菌的不同，因此抗生素对它们不起作用，不过仍然有对付它们的药。最近出现的一个重要的例子是齐多夫定（zidovudine, ZDV），也称为叠氮胸苷（azidothymidine, AZT），可以延缓艾滋病的发作。不幸的是，AZT与其他抗生素一样，现在的效果已经不如之前理想了，因为某些HIV病毒株也产生了耐药性。HIV是一种反转录病毒，一类非常小的生命体。它的遗传物质不是DNA，而是RNA。它的RNA链可以慢慢地“绑架”宿主内用于复制DNA的分子机器，制造出它自己的RNA拷贝，实现自我繁殖。它甚至可以入侵免疫细胞，隐藏在这些细胞里，逃避抗体的追杀。
反转录病毒缺乏自我复制的机制，这既是弱点又是长处。它的繁殖和演化过程要比细菌或DNA病毒慢；另外一个特点是复制的精确度较低，这意味着它产生相当多的“缺陷拷贝”。不过，这一功能上的缺陷反过来成为演化上的优势，因为有些“缺陷拷贝”能更好地入侵宿主免疫系统或者应付抗病毒药物。此外，反转录病毒的结构如此简单，以至于没有可以轻易攻击的目标。至简，则无敌。
反转录病毒演化出对AZT的耐药性需要数月乃至一年的时间，这与某些细菌只要几个星期就能演化出耐药性显然不同。不幸的是，HIV在一个宿主体内有足够长的时间来演变。只要受过一次感染，经过若干年的复制、突变和选择之后，一个宿主体内可能共存着许多株互相竞争的病毒。而占据主导地位的是那些可以耐受各种选择压力（比如AZT或其他药物）的病毒。毒力最强的病毒最善于掠夺宿主的资源。
毒力的短期演化
57
毒力的演化过程广受误解。传统观点认为，人体中病原体的毒力应当逐渐降低。它的理由如下：宿主活得越久，病原体也就可以活得越久，也就有更多的机会、更长的时间把后代散播到新的宿主；病原体对宿主的任何伤害，最终也将反过来伤害到自己；最成功的病原体不仅对宿主的伤害不大，甚至还有所益处。从这种推理出发，演化的进程应当是病原体的毒力稳步降低，最终无害，甚至对宿主的生存有利。
这个论证看似合理，但有几处谬误。第一，它忽视了病原体最终都要将后代散播到新宿主这个事实。这种传播过程，如上一章所述，往往借助于宿主的防御机制，比如咳嗽和喷嚏。而引发这种防御机制需要病原体维持一定的毒力。设想一种鼻病毒，不能刺激宿主的防御机制，宿主因此不会分泌大量黏液或打喷嚏。在这种情况下，鼻病毒将很难传播。
第二，这一观点认为演化是一个缓慢的过程：不论是就传代的时间而言，还是就演化所需的绝对时间而言，都是非常之慢的。这种观念没有意识到病原体是可以快速演化的：它们在宿主的生命期间可以繁衍上百甚至上千代，所以有可能迅速演化。如果引起腹泻的阿米巴虫起初的毒性太低或太高，它们在演化中都会趋于最佳中间值。它的毒性一般不会变化，除非最近环境发生了变化。对我们而言，“最近”是指上一个星期或者上一个月；对演化生物学家来说，“最近”则是指上一个冰河期。
58
第三，传统观点忽视了各种病原体在宿主体内的竞争，在刚刚举的HIV例子中我们暗示过这一点。一只肝吸虫在一个感染了志贺菌而快要死去的病人的肝脏里约束自己的行为，这会有什么好处呢？肝吸虫和志贺菌都在掠夺宿主的资源，因此它们是竞争者；只有更无情的掠夺者才有望胜利。类似的，如果有不止一株志贺菌，那么，能够最有效地掠夺宿主资源的那一株将在宿主死去之前产生更多的后代。如果其他条件相等，宿主体内的竞争只对毒力强者有利。最近，对11种无花果黄蜂与其体内的寄生虫的比较研究证实，寄生虫的毒力增强与其传播机会增加相关。
同演化学说的其他应用一样，要准确地理解宿主内与宿主间自然选择的平衡，需要精细的思考。图4—1是一个简单的图解：
图4—1 宿主内和宿主间选择
图（a）示一毒力极大的病原，它在宿主体内的自然选择中处于有利地位。它尽量地掠夺它的宿主使当前的播散最大化。它可能很快使宿主死亡，但在宿主生活期间，它在各个互相竞争的病原中获利最大。
图（b）示一在宿主间的自然选择中处于有利地位的病原。它的长期总产率（longterm total productivity）得以最大化，它的长期总产率等于繁殖率乘以时间，即图中繁殖曲线下的面积。
要建立关于毒力演化的完备的学说，需要考虑新的感染在宿主发生的速度、互相竞争的病原体毒力差异的程度、宿主体内产生新突变株的速度，以及新突变株毒力上的差异程度等几个方面。之后，还要假定其他情况不变，才有可能对某一病原体的毒力加以预测；然而，所有的情况都是在不断变化的——最重要的一个变化是病原体可能会改变传播到新宿主的办法。如果传播的过程不仅仅取决于宿主的存活，还依赖于宿主的活动，那么对宿主的任何伤害，都会对病原不利。因为如果你因感冒病重而不得不卧床在家，那么你就多半不会接触到新的宿主；如果你虽患感冒但病情不重仍能起床外出，你将病毒传播给其他人的可能性就更高。对感冒病毒而言，不要使你病得太重，即不至于让你卧床不起便十分重要。相反，疟疾的疾原虫在病人感觉良好时得不到什么好处。事实上，兔子和小鼠的实验证明，疲惫的宿主更易受蚊虫的侵袭。正在“打摆子”的人，多数不会花力气去驱赶蚊子。蚊子可以从容不迫地吸血，然后四处传播。
根据演化理论，通过人际接触传染的疾病，应当比由昆虫或者其他媒介传播的疾病毒力小。事实确实如此。保罗·爱华德验证了这一普适原则，并阐明了它对公共卫生的重要意义。他发现，通过媒介传播的病原体一般比通过人际接触传播的病原体毒力更大。类似的，蚊媒传播的病原体一般在蚊中温和，而在脊椎动物中严重。因为假如蚊子受了伤害的话，它就不会再去叮咬另一只脊椎动物了。