古往今來，每一個部落或國家發明出一種新式武器之後，敵對的部落或國家就會很快想出一種對付它的武器來。有矛就有盾，有弓箭就有盔甲，有偷襲轟炸機也就有了雷達。類似的，在生物億萬年的演化史中，捕食者與被捕食者也在訓練著彼此的攻防能力。捕食者的捕獵技巧愈發進步，被捕食動物的逃避技巧以及防禦性措施也會提高，然後捕食者又進一步更新捕獵的手段。如果狐狸跑得很快，自然選擇留下的是比狐狸跑得更快的那一批兔子。於是狐狸還得加快速度。如果狐狸的視覺有所改進，留下的是與背景色更加難以分辨的兔子；這就選擇出能用氣味找尋兔子的狐狸，又選擇出會躲到狐狸下風方向的兔子。因此，捕食者和被捕食者共同進化，日趨複雜。生物學家把這種現象歸納為「紅色皇后原則」。這是引用了劉易斯·卡羅爾（Lewis Carroll）《愛麗絲鏡中奇遇記》（Through the Looking-Glass）一書裡「紅色皇后」說的一句話。在書中，她告訴愛麗絲：「現在，你看，你必須努力奔跑才能保持原地不動。」
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與捕食者和被捕食者之間的競賽相似，病原體和宿主之間不斷升級的「軍備競賽」代價極高，也製造了一批異常複雜的攻防系統。在人類社會，政治力量必須不斷地把力量投入軍備競賽以免落在對手的下風。類似的，宿主和病原體都要演化得夠快才能保持他們原來的適應水平。終會有一天，「軍備競賽」的耗費大到生物體耽誤了其他方面的基本需求，然而失敗的代價又是如此之高，以至於雙方都不得不苦苦硬撐。我們與病原體正在進行一場經久不息的戰爭，雙方永無可能達成徹底的調停協議。
宿主和病原體的關係表現出的對抗性、浪費性和毫不仁慈的破壞性，使得「軍備競賽」一詞成為最貼切的描述。本章的後續部分將展開論述。作為引子，想一想整個人類歷史中傳染病釀造過多少人類慘劇吧！威廉斯（本書的作者之一）的外祖父母因腦膜炎去世，他的母親在9歲時成了孤兒。他一個姐姐的好朋友在四年級時突然死於急性闌尾炎。這些微芥之物可不在乎什麼達官顯貴。卡爾文·柯立芝在繼任總統前不久，他16歲的愛子在打網球的時候腳上磨出了一個水皰，這孩子仍然勇敢地堅持到比賽結束。不幸的是，水皰發生了感染，兩周之後就奪去了他的生命。這位總統在感情上受到了沉重的打擊（即使是他的追隨者也承認這一點），以致任滿一屆之後無意謀求連任。
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國際間的軍備競賽與宿主—病原體之間的協同演化當然不是完全一樣。五角大樓能夠在圖紙上打出草稿，然後做出模型及樣品。它可以進行合理的規劃，失敗了還可以重新再來，並在試錯中不斷改進。而演化的過程，沒有幕僚顧問，也不知道怎樣把科學知識用到新穎的毀滅性或者防禦性武器中去。演化沒有事先安排的計劃，失敗了也沒有機會重來。演化過程裡只有試錯，以及不斷的修補。每一代的微小變化逐漸在生存競爭遊戲中積累或者淘汰。有一些帶來了更高的繁殖率，群體也就向這邊傾斜。這是一個相對緩慢、盲目的過程，有時還不免走入歧途；然而，自然選擇產生出的適應性，卻可以極盡精微。
演化的過去與現在
不少生物學家錯誤地認為，宿主和病原體通常處於一種緩慢的演變過程中，逐漸走向未來的最佳狀態——多半是和平共處。這非常不切實際。病原體和宿主在對立的價值觀之間交易，都必須保持一種接近平衡的穩定狀態，諸如生長速度和防禦活動，在平衡的過程之中，一方應變能力的微小改善，必定要導致另一方付出損失。瘦的兔子可能跑得快一點，但是瘦到一定程度之後，再瘦一點與飢餓所增加的風險相比就不合算了。同樣，我們的發熱反應可能也是經過優化的，至少在歷史上的正常情況下是如此的。更嚴重更頻繁的發熱，可能會使我們較少受病原之害，然而組織損傷和營養消耗的代價可能弊大於利。當環境保持恆定時，這些都可以成立；如果環境發生了變化，宿主和病原體的最佳狀態也需要重新調整。如果我們長時間控制住了病原體，那麼我們的反應可能不會那麼強烈；一旦技術出錯，我們再次變得易於受害時，病原體可能會誘發更劇烈的發熱反應。
在本書的其餘章節，我們討論的一般是人類在長期歷史階段建立起來的那些生物學性狀。在本章，我們先來討論那些短時間內發生的演化，長則數年，短則數周。因為病原體繁殖得非常快，所以它們的演化也十分迅速。
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我們對抗疾病的某些策略，例如對抗瘧疾的鐮狀細胞血紅蛋白，是在過去的一萬年左右產生的，也就是大約300代之前。人類作為一個物種，在過去的幾百年裡，也就是大約十幾代人的時間，對諸如天花和結核之類的傳染病產生了更高的抵抗力。與這相比，細菌一兩個星期裡就能繁殖300代，而病毒繁殖得更快。細菌一天的演化可以與我們一千年的演化相當，這就使得我們在與細菌的「軍備競賽」中明顯處於下風。我們不能演化得更快，所以無法逃脫細菌的追殺。人類只好通過迅速改變各種產生抗體的細胞的比例去應付細菌快速的演變。幸好，這種化學武器工廠的數量和種類相當多，起碼可以部分地抵消病原體巨大的演化優勢。
從免疫學的角度看，一次流行病可能使人類群體發生顯著變化。凡是曾患過流行病又康復的個體都可能對「再感染」免疫，因為他們帶有大量新增加的淋巴細胞，後者能針對這種病原體合成具有極大殺傷力的抗體。另外，成年人對兒童期傳染病，諸如流行性腮腺炎和麻疹等更具免疫力，這並不是因為基因有了什麼變化，而是體內的抗體濃度升高了。
病原體的小個頭給了它們另一個優勢：它們的數量特別巨大。我們每個人身上的細菌數量比地球上的人口總量還多，大部分都棲息在我們的消化系統和呼吸系統。這種巨大的數量意味著即使是概率極小的突變也會經常出現，只要這種突變菌株比其他菌株有極細微的優勢，它們就會繁殖得更多。我們由此可以推測，我們病原體的數量性狀始終會快速演化，達到適應當前環境的最佳值。
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在某些災難性的瘟疫中，人群可以在幾個月裡演化出對這種傳染病更強的抵抗力。當歐洲人首次到達新大陸的時候，某些歐洲傳染病在極短的時間裡造成了美洲土著90%以上的死亡率。如果美洲土著的易受傷害性是由於遺傳上的原因，那麼，在倖存者之中，這些抵抗基因的比例必然有所增加。我們就可以說，這個群體，在有限的意義上，演化出了更高的抵抗力。這是一個極端的例子。通常，流行病對人類基因庫的影響極小，而病原體的特徵卻可能發生了巨大的變化。
耐受抗生素的細菌
20世紀醫學取得的最大進步，也許是有史以來醫學上最大的進步之一，是利用黴菌產生的毒素來治療感染人體的各種細菌。這些毒素也就是抗生素。雖然艾立希（Paul Ehrlish）早在1901年就引入了有機砷用於治療梅毒，然而抗生素的時代卻肇始於1928年。那一年，弗萊明（Alexander Fleming）留意到，培養基中的細菌無法在青黴菌落的附近生長。為什麼會有這種現象？為什麼最有效的抗生素大都來源於黴菌？抗生素是黴菌與細菌為了對付競爭者或病原體而發明的化學武器。它們是在幾百萬年的鏖戰中由自然選擇出來的，專門針對細菌的弱點，卻無損於黴菌。
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黴菌和細菌產生的許多抗生素對人是安全的，卻能掃除那些引起結核、肺炎及許多傳染病的細菌。在過去的幾十年裡，抗生素的廣泛使用使得發達國家中細菌感染引起的疾病大為減少，史稱「抗生素的黃金時代」。再加上公共衛生條件的進步，傳染病的死亡率急劇下降，以致1969年美國衛生總監躊躇滿志地宣佈：「現在，可以把與傳染病相關的書收起來了。」
像其他「黃金時代」一樣，它也沒有延續很久。現在，危險的細菌，特別是引起結核和淋病的細菌，比10年或20年前更難控制了。病原體已經演化出耐受抗生素的本領，正如它們過去演化出耐受其他藥物的本領一樣。美國疾病控制與預防中心的米歇爾·柯恩（Mitchell Cohen）最近指出：「這些事件，使我們不得不考慮，我們是否正在逼近後抗生素時代。」
事實可能確實如此。以葡萄球菌為例，這是最常見的傷口感染細菌。1941年，所有這種細菌都可以被青黴素殺死。到1944年，已經出現了一些突變株能分解青黴素。到今天，95%的葡萄球菌都對青黴素有一定程度的耐藥性。20世紀50年代中期發明的一種人工半合成的青黴素，甲氧青黴素（methicillin），能殺死這些抗藥菌株。然而，細菌又同樣演變出耐受甲氧青黴素的突變菌株；於是，我們又需要開發更新的藥。20世紀80年代，人們對環丙沙星曾抱有很大希望，但現在，紐約市有80%的葡萄球菌對它有耐藥性。在俄勒岡退伍軍人醫院，抗藥菌株僅一年內就從不足5%飆升到80%以上。
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20世紀60年代，大多數淋病是比較容易用青黴素控制的，抗藥菌株則用氨苄青黴素對付。現在，已有75%的淋球菌株可以產生特殊的酶，使氨苄青黴素失活。其中一些變化是染色體突變經自然選擇的結果。但是細菌還有別的辦法：它們自己也被一些細小的環狀DNA所感染，這種環狀DNA也叫質粒（plasmid）。一些質粒會在細菌的基因組中留下一些片段，或者帶著另外一些片段轉移到另外的細菌體內。1976年，科學家發現淋球菌從大腸桿菌的質粒中獲得了編碼耐受青黴素酶的基因，所以現在泰國和菲律賓90%的淋球菌已經變成耐青黴素菌株。與此類似，1983年，荷比印地安保留地發生了一次嚴重的流行性腹瀉病原菌。後來查明，病因是福氏痢疾桿菌（Salmonella fexneri），這株細菌來自一位婦女，她長期使用抗生素控制大腸桿菌引起的尿路感染。該福氏痢疾桿菌從大腸桿菌的質粒裡獲得了抗藥基因。
現在，耐藥細菌的清單越來越長，而且越來越可怕。由於耐藥質粒的傳播，法國約有20%的肺炎球菌現在都可以耐受紅黴素。在南美洲，某些霍亂弧菌已對之前有效的五種藥呈現出耐藥性。阿莫西林對30%～50%的致病性大腸桿菌已經有效。看來，我們與紅色皇后的賽跑，很難保持現有的名次了。
最危險的事情也許在於，在紐約城所有的結核案例中，1/3以上的病原菌耐受一種抗生素，而3%的新病例和7%的復發病中的病原菌則耐受兩種或更多的抗生素。受耐藥結核菌感染致病的病人中，只有50%的生存希望。這是與抗生素發明之前同樣嚴峻的情況！結核病仍然是發展中國家裡最常見的感染病之一，它佔了成人死亡率的25%和全部死亡率的6.7%。1985年以前，美國結核病的發病率穩步下降，然而1985年至今卻回升了18%。病例中約有一半是因為艾滋病引起的免疫缺陷，另一半是因為接觸傳染源和耐藥性菌株的機會增多。
耐藥細菌的日趨增多是人們最熟悉，也最瞭解的一種病原菌演化。自從20世紀50年代首次發現細菌耐藥性以來，科學家進行了大量的55研究，並確立了不少重要的結論。
１細菌對抗生素的耐藥性，不是單個細菌逐漸積累起來的耐受力，而是因為某種罕見的突變或者由質粒引進了新的基因。
２基因突變可由質粒或其他方式在不同的細菌之間傳播。
３抗生素的存在，使最初極稀少的突變株迅速增多，並取代原來的始祖型細菌。
４如果除去該抗生素，始祖株又將逐漸取代該耐藥菌株。
５耐藥性菌株內的突變可以進一步增強，因此，加大抗生素劑量只會暫時有效。
６只能略微抑制細菌生長的低劑量抗生素，最終也會選出耐受這種抗生素的菌株。
７耐藥性更強的菌株更有可能出現在抗藥菌株中，而不是本來沒有耐藥性的菌株中。
８耐受一種抗生素可能也意味著耐受另一種抗生素，這種情形叫作交叉耐藥性。當這兩種抗生素的化學結構相似的時候，這更容易發生。
９最後，在沒有抗生素的情況下，耐藥菌株的劣勢在進一步的演化過程中有可能得到彌補；因此，即使是在很長時間沒有用過該抗生素的地方，耐藥細菌仍然可能佔有相當大的比例。
以上結論已經在醫學實踐中得到公認。如果某種抗生素沒能控制住病情，與其加大劑量不如換另一種抗生素。避免長期使用抗生素；每天一粒青黴素曾經是預防心臟瓣膜感染的標準治療方案，但這有可能篩選出耐藥菌株。不幸的是，我們還有可能在不知情的情況下擔上了風險：餵食過抗生素的動物會有痕量抗生素殘留，當我們食用肉類、蛋、奶的時候，有可能接觸了這些抗生素，從而篩選出耐藥菌株。這一問題最近引起了飼養業主和公共衛生人士之間的衝突。飼養場是否需要使用抗生素，需要認真評估其經濟價值，衡量是否值得去冒耐藥性菌株出現的風險。哥倫比亞大學醫學教授哈羅德·紐（Harold Neu）1992年在《抗生素耐藥性危機》（The Crisis in Antibiotic Resistance）一文中指出：「避免耐藥細菌的產生，醫生和病人都可以有所作為：因為醫生有開藥的權力，而病人在確診為病毒感染的時候應該避免要求使用抗生素（它只對細菌有效）。同樣關鍵的是，醫藥工業也不能為了擴大營銷額而縱容濫用抗生素。正是對人和牲畜的抗生素濫用，引起了我們目前的抗生素危機。」然而這樣的建議恐怕會被人們當作耳邊風。正如邁特·瑞德利（Matt Ridley）和鮑比·婁（Bobbi Low）最近在《大西洋月刊》（The Atlantic Monthly）上的一篇文章中所指出的：「對公眾進行善意的道德勸誡即便受到歡迎，也很少有人會當真。要使人們為了公眾利益合作，必須讓不合作者付出代價。」
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病毒的代謝機制與細菌的不同，因此抗生素對它們不起作用，不過仍然有對付它們的藥。最近出現的一個重要的例子是齊多夫定（zidovudine, ZDV），也稱為疊氮胸甘（azidothymidine, AZT），可以延緩艾滋病的發作。不幸的是，AZT與其他抗生素一樣，現在的效果已經不如之前理想了，因為某些HIV病毒株也產生了耐藥性。HIV是一種反轉錄病毒，一類非常小的生命體。它的遺傳物質不是DNA，而是RNA。它的RNA鏈可以慢慢地「綁架」宿主內用於複製DNA的分子機器，製造出它自己的RNA拷貝，實現自我繁殖。它甚至可以入侵免疫細胞，隱藏在這些細胞裡，逃避抗體的追殺。
反轉錄病毒缺乏自我複製的機制，這既是弱點又是長處。它的繁殖和演化過程要比細菌或DNA病毒慢；另外一個特點是複製的精確度較低，這意味著它產生相當多的「缺陷拷貝」。不過，這一功能上的缺陷反過來成為演化上的優勢，因為有些「缺陷拷貝」能更好地入侵宿主免疫系統或者應付抗病毒藥物。此外，反轉錄病毒的結構如此簡單，以至於沒有可以輕易攻擊的目標。至簡，則無敵。
反轉錄病毒演化出對AZT的耐藥性需要數月乃至一年的時間，這與某些細菌只要幾個星期就能演化出耐藥性顯然不同。不幸的是，HIV在一個宿主體內有足夠長的時間來演變。只要受過一次感染，經過若干年的複製、突變和選擇之後，一個宿主體內可能共存著許多株互相競爭的病毒。而佔據主導地位的是那些可以耐受各種選擇壓力（比如AZT或其他藥物）的病毒。毒力最強的病毒最善於掠奪宿主的資源。
毒力的短期演化
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毒力的演化過程廣受誤解。傳統觀點認為，人體中病原體的毒力應當逐漸降低。它的理由如下：宿主活得越久，病原體也就可以活得越久，也就有更多的機會、更長的時間把後代散播到新的宿主；病原體對宿主的任何傷害，最終也將反過來傷害到自己；最成功的病原體不僅對宿主的傷害不大，甚至還有所益處。從這種推理出發，演化的進程應當是病原體的毒力穩步降低，最終無害，甚至對宿主的生存有利。
這個論證看似合理，但有幾處謬誤。第一，它忽視了病原體最終都要將後代散播到新宿主這個事實。這種傳播過程，如上一章所述，往往借助於宿主的防禦機制，比如咳嗽和噴嚏。而引發這種防禦機制需要病原體維持一定的毒力。設想一種鼻病毒，不能刺激宿主的防禦機制，宿主因此不會分泌大量黏液或打噴嚏。在這種情況下，鼻病毒將很難傳播。
第二，這一觀點認為演化是一個緩慢的過程：不論是就傳代的時間而言，還是就演化所需的絕對時間而言，都是非常之慢的。這種觀念沒有意識到病原體是可以快速演化的：它們在宿主的生命期間可以繁衍上百甚至上千代，所以有可能迅速演化。如果引起腹瀉的阿米巴蟲起初的毒性太低或太高，它們在演化中都會趨於最佳中間值。它的毒性一般不會變化，除非最近環境發生了變化。對我們而言，「最近」是指上一個星期或者上一個月；對演化生物學家來說，「最近」則是指上一個冰河期。
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第三，傳統觀點忽視了各種病原體在宿主體內的競爭，在剛剛舉的HIV例子中我們暗示過這一點。一隻肝吸蟲在一個感染了志賀菌而快要死去的病人的肝臟裡約束自己的行為，這會有什麼好處呢？肝吸蟲和志賀菌都在掠奪宿主的資源，因此它們是競爭者；只有更無情的掠奪者才有望勝利。類似的，如果有不止一株志賀菌，那麼，能夠最有效地掠奪宿主資源的那一株將在宿主死去之前產生更多的後代。如果其他條件相等，宿主體內的競爭只對毒力強者有利。最近，對11種無花果黃蜂與其體內的寄生蟲的比較研究證實，寄生蟲的毒力增強與其傳播機會增加相關。
同演化學說的其他應用一樣，要準確地理解宿主內與宿主間自然選擇的平衡，需要精細的思考。圖4—1是一個簡單的圖解：
圖4—1 宿主內和宿主間選擇
圖（a）示一毒力極大的病原，它在宿主體內的自然選擇中處於有利地位。它盡量地掠奪它的宿主使當前的播散最大化。它可能很快使宿主死亡，但在宿主生活期間，它在各個互相競爭的病原中獲利最大。
圖（b）示一在宿主間的自然選擇中處於有利地位的病原。它的長期總產率（longterm total productivity）得以最大化，它的長期總產率等於繁殖率乘以時間，即圖中繁殖曲線下的面積。
要建立關於毒力演化的完備的學說，需要考慮新的感染在宿主發生的速度、互相競爭的病原體毒力差異的程度、宿主體內產生新突變株的速度，以及新突變株毒力上的差異程度等幾個方面。之後，還要假定其他情況不變，才有可能對某一病原體的毒力加以預測；然而，所有的情況都是在不斷變化的——最重要的一個變化是病原體可能會改變傳播到新宿主的辦法。如果傳播的過程不僅僅取決於宿主的存活，還依賴於宿主的活動，那麼對宿主的任何傷害，都會對病原不利。因為如果你因感冒病重而不得不臥床在家，那麼你就多半不會接觸到新的宿主；如果你雖患感冒但病情不重仍能起床外出，你將病毒傳播給其他人的可能性就更高。對感冒病毒而言，不要使你病得太重，即不至於讓你臥床不起便十分重要。相反，瘧疾的疾原蟲在病人感覺良好時得不到什麼好處。事實上，兔子和小鼠的實驗證明，疲憊的宿主更易受蚊蟲的侵襲。正在「打擺子」的人，多數不會花力氣去驅趕蚊子。蚊子可以從容不迫地吸血，然後四處傳播。
根據演化理論，通過人際接觸傳染的疾病，應當比由昆蟲或者其他媒介傳播的疾病毒力小。事實確實如此。保羅·愛華德驗證了這一普適原則，並闡明了它對公共衛生的重要意義。他發現，通過媒介傳播的病原體一般比通過人際接觸傳播的病原體毒力更大。類似的，蚊媒傳播的病原體一般在蚊中溫和，而在脊椎動物中嚴重。因為假如蚊子受了傷害的話，它就不會再去叮咬另一隻脊椎動物了。