细菌大迁徙:达尔文那一套又不管用了

旅顺广播电视网综合 刘 欣2019-12-02 05:49:08
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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。”