细菌大迁徙：达尔文那一套又不管用了

来源：中国青年报

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细菌大迁徙:达尔文那一套又不管用了

——21世纪“造物”技术有了理论工具

很多人把达尔文的“物竞天择,适者生存”奉为圭臬,但也有人并不相信生物进化论以及后来的社会达尔文主义那一套。至少,它并不能完全解释这个世界的运行。

比如,一个受精卵分裂出的40万亿细胞,是如何有序形成各个组织器官,并最终发育为完整人体的?同一片森林里的上百种生物,是如何抢占生存空间,以构成复杂而稳定的生态系统的?尽管进化论指出了生命的演化规律和发展方向,但多细胞生物“按需制造”的原理,至今仍然是一个谜题,而同一环境下的物种多样性,也难以被一句“物竞天择”解释清楚。

如今,科学家又找到一个反例:微观世界里的细菌大迁徙。中国科学院深圳先进技术研究院、深圳合成生物学创新研究院研究员刘陈立所领导的科研团队,与美国加州大学圣地亚哥分校教授华泰立的团队合作,历时5年发现,在细菌的迁徙过程中,并非“快”胜出“慢”淘汰,而是每种生物都对应着一个最优的扩张速度和策略,据此算出生物迁徙进化策略的定量公式,以其解释生物多样性并为未来的“造物”提供工具。

前不久,这一被认为“基础研究领域重大突破”的成果,以长文形式在国际学术期刊《自然》杂志发表。中国科学院院士、中国科学院合成生物学重点实验室研究员赵国屏评价道:这一原创新工作所揭示的规律,对于物种进化,特别是物种内部微进化理论的发展,具有不可取代的重要意义,也是实验性进化研究的一次生动范例。

“抢地盘”不光靠“跑得快”

非洲动物大迁徙是自然界的一大奇观,每年数以百万的动物分为前中后“三军”向北进发:打头阵的,是20多万匹野斑马,紧跟其后的,是百万头角马,殿后的,是50万只瞪羚。在此期间,还有40万个新生命加入队伍。

将这样的大场面“搬进”实验室,把动物替换成细菌,放进培养皿,便成了刘陈立团队研究的对象——细菌大迁徙。

刘陈立告诉记者,根据传统的研究结果,为了应对环境的变化,生物通过迁徙获得营养或新的生存环境,在迁徙过程中走在最前面的生物,具有优先选择权,可以选择可口的食物,也可优先占领某一片领土,似乎“越快越好”就是最优的生存策略。

相应地,在细菌迁徙的竞争中,想要占领最大疆域,也是扩张速度“越快越好”,不同细菌“单独奔跑”的情况下确实如此。

然而,不同细菌“同时奔跑”的时候,出人意料的事发生了。

在探究细菌迁徙的前期实验中,刘陈立团队设计了4种培养环境,在每种环境中反复“演绎”细菌迁徙过程,各重复50个循环后,科研人员惊奇地发现:菌群的迁移速率呈发散状变化,占领外围的菌群越“跑”越快,而占领中心的菌群,则不断放慢“脚步”。

结果显示,不仅“快菌”有优势,“慢菌”也找到了自己的生存空间。

“这一现象出乎我们的意料,在均一环境下,一般认为‘先到先得’,速度变慢则意味着被淘汰,此前领域内的研究也都未注意到‘运动速度慢’竟然也有其优势。”刘陈立认为,这些现象说明,细菌在空间扩张过程中,不只是采用了“加快运动速度”这一种策略,还有其他因素决定着“最终版图”的分布。

中国科学院院士、北京大学定量生物学中心教授欧阳颀听闻这一实验结果十分欣喜,在他看来,这个工作在针对微观生态进化的“时域”与“空域”定量与系统研究方面跨了一大步。

“在缺乏定量可控的实验情况下,达尔文的进化论无法发展出能够做出定量预测的理论,因而是不完整的。尤其是复杂时空变化的环境下,多物种的竞争与适应策略,更是进化理论研究的难点。”欧阳颀说。

如今的这一成果,很明显有了突破。

欧阳颀说,这一成果利用细菌的迁移和繁殖等基本生命参量,研究了不同细菌种群在不同领地上的定居、生长、繁殖后代能力,以及适应力的演化规律,“与通常认为的‘先到先得’策略不同,特定领地上定植能力最强的细菌不是跑得最快的,而是不同的领地对应着一个最优的扩张速率。”

菌群大战“暴露”迁徙规律

更为重要的是,刘陈立团队并没有停留在现象的表面,而是继续往下走,走向理论解释。

在他们看到“先到不先得”这一违反直觉和常理的实验结果后,科研团队利用非线性动力学模型,推导了一个简单的定量关系:通过经典的“两两竞争”实验和数学模型分析,发现一个种群所占空间大小和区域位置,与其竞争者的迁移速率有着明确的定量关系。

刘为荣是刘陈立的博士生,也是这一成果论文的第一作者。他告诉记者,为了找出菌群“攻城略地”的关键因素和共性规律,科研团队在后期设计了“两两竞争”实验,让运动速度不同的两个菌群,在同一起点“同时扩张”,结果,依然让人意外。

一个非常特别的分水岭出现了。

具体来看,两个菌群出发后,菌群数量的空间分布,渐渐地出现一个转折位置,在这里双方“势均力敌”。在该位置以内的空间,“跑得慢”的菌群占有优势,一旦超出这个位置,“跑得快”的菌群则以快取胜。

随后,科研团队将“细菌大战”的实验,扩展到3个菌群,结果形成了两大分水岭,由慢到快运动速度不同的菌群,从内而外各自占据了优势空间。

刘为荣告诉记者,在经过5组的进化菌群和合成生物学改造菌群的反复竞争实验,结果证明,这一现象具有普遍性。

她将这一情况记录下来,团队总结认为:在整个细菌迁徙的过程中,每个菌群都有着自己的“扩张策略”,根据想占领的空间面积及位置,调控各自的迁徙速度,最终构成“各占一隅”的稳定格局。

找到迁徙进化的规律后,刘陈立团队根据模型计算和实验验证推导出定量公式,包含生存面积、运动速度、生长速度这三大关键因素。根据这一公式,科学家便可以在已知空间大小的条件下,算出迁徙进化的最优策略。

“这个漂亮的工作,示范了复杂生物过程背后存在着简单定量关系。”欧阳颀说:这种细菌种群对领地的竞争,可被认为是一种空间上的“博弈游戏”,作为游戏玩家的细菌,将迁移速率作为一个策略,迁移速率稳定的平衡态,类似于博弈论中的纳什均衡,也就是说从这个稳定策略中偏离的任何玩家,都不会得到任何利益。

“造物”技术获强大工具

“这就为解释同一生态环境条件下,物种多样性的产生提供了启示。”刘陈立说,此前的生态学理论大多认为,所处生态环境的不同,是导致物种多样性产生的原因,如今这个定量规律,则揭示了不同物种,依据不同生长速度和运动速度,抢占各自的生存空间的奥秘。

更为重要的是,这一规律给21世纪兴起的“造物”技术——合成生物学带来更多可能。

刘陈立告诉记者,“如果说合成生物学是像拼‘乐高’一样,组装生物结构,那么此次研究得到的定量公式,则为‘造物’工程提供了全新的设计理论。”

所谓合成生物学,就是采用工程化的设计理念,通过对生物体进行设计、改造和合成,创建人工生命体系。在科幻电影《侏罗纪公园》中,科学家利用天然琥珀中保留的恐龙血液,提取修复DNA分子结构等技术,培育出已经灭绝的恐龙——这种看起来颇为超前的生命科学理念,就是合成生物学的“电影版本”。

“万有引力、热力学定律……物理世界已有许多规律可循。而我们认为,生物世界同样存在定量规律,理解了定量规律后,才可以真正实现生物的工程化,最终达到造物致知,造物致用。”刘陈立说。

在他看来,这一次从细菌上得到的生物迁徙进化规律,能够从理论上指导多细胞生物或生态体系的构建。未来,在该理论的指导下,调控细胞运动、生长速度,定量计算细胞在空间中的分布位置,有望实现生物组织和器官的工程化合成。

赵国屏同意这一说法,在他看来,传统的细菌实验性进化,通常只考虑时间信息,而这个工作,则专门考察种群为什么能够在空间上竞争性定植,并解析这一定植过程中基因组的进化规律。

“这项研究表明,细菌不仅是开展定量生物学和合成生物学研究的极好材料,也是开展实验性进化研究的极好材料。”赵国屏说,遗憾的是,国内从事这方面研究的实验室不多。

究其原因,一方面是需要研究者有很深厚的遗传学和进化科学的理论知识功底;另一方面,此类工作的成功,需要在大量和长期的重复性精确测定获得的数据基础上,才可能给出定量分析和理论模型预测。赵国屏希望以此为起点,能够启发我国从事生命科学基础研究的研究者,尤其是年轻的研究人员,拓展研究视野,大胆创新思路。

他说,生命科学研究正在开启以系统化、定量化和工程化为特征的“多学科会聚”研究的新时代,正在逐渐从描述阶段,经过分析阶段向建构性阶段发展,最终达到对生命与生命过程“可预测、可调控和可创造”目标。

“在这个过程中,一个重要的科学问题,就是获得对生物体系有序结构形成原理的定量认识。”赵国屏说。如今这一成果做到了,但也仅仅是一个开始。

中国青年报·中国青年网记者 邱晨辉 来源:中国青年报