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細菌大遷徙:達爾文那一套又不管用了
2019-12-02 08:23:43 來源: 中國青年報
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        很多人把達爾文的“物競天擇,適者生存”奉為圭臬,但也有人並不相信生物進化論以及後來的社會達爾文主義那一套。至少,它並不能完全解釋這個世界的運行。

        比如,一個受精卵分裂出的40萬億細胞,是如何有序形成各個組織器官,並最終發育為完整人體的?同一片森林裏的上百種生物,是如何搶佔生存空間,以構成復雜而穩定的生態係統的?盡管進化論指出了生命的演化規律和發展方向,但多細胞生物“按需制造”的原理,至今仍然是一個謎題,而同一環境下的物種多樣性,也難以被一句“物競天擇”解釋清楚。

        如今,科學家又找到一個反例:微觀世界裏的細菌大遷徙。中國科學院深圳先進技術研究院、深圳合成生物學創新研究院研究員劉陳立所領導的科研團隊,與美國加州大學聖地亞哥分校教授華泰立的團隊合作,歷時5年發現,在細菌的遷徙過程中,並非“快”勝出“慢”淘汰,而是每種生物都對應著一個最優的擴張速度和策略,據此算出生物遷徙進化策略的定量公式,以其解釋生物多樣性並為未來的“造物”提供工具。

        前不久,這一被認為“基礎研究領域重大突破”的成果,以長文形式在國際學術期刊《自然》雜志發表。中國科學院院士、中國科學院合成生物學重點實驗室研究員趙國屏評價道:這一原創新工作所揭示的規律,對于物種進化,特別是物種內部微進化理論的發展,具有不可取代的重要意義,也是實驗性進化研究的一次生動范例。

        “搶地盤”不光靠“跑得快”

        非洲動物大遷徙是自然界的一大奇觀,每年數以百萬的動物分為前中後“三軍”向北進發:打頭陣的,是20多萬匹野斑馬,緊跟其後的,是百萬頭角馬,殿後的,是50萬只瞪羚。在此期間,還有40萬個新生命加入隊伍。

        將這樣的大場面“搬進”實驗室,把動物替換成細菌,放進培養皿,便成了劉陳立團隊研究的對象——細菌大遷徙。

        劉陳立告訴記者,根據傳統的研究結果,為了應對環境的變化,生物通過遷徙獲得營養或新的生存環境,在遷徙過程中走在最前面的生物,具有優先選擇權,可以選擇可口的食物,也可優先佔領某一片領土,似乎“越快越好”就是最優的生存策略。

        相應地,在細菌遷徙的競爭中,想要佔領最大疆域,也是擴張速度“越快越好”,不同細菌“單獨奔跑”的情況下確實如此。

        然而,不同細菌“同時奔跑”的時候,出人意料的事發生了。

        在探究細菌遷徙的前期實驗中,劉陳立團隊設計了4種培養環境,在每種環境中反復“演繹”細菌遷徙過程,各重復50個循環後,科研人員驚奇地發現:菌群的遷移速率呈發散狀變化,佔領外圍的菌群越“跑”越快,而佔領中心的菌群,則不斷放慢“腳步”。

        結果顯示,不僅“快菌”有優勢,“慢菌”也找到了自己的生存空間。

        “這一現象出乎我們的意料,在均一環境下,一般認為‘先到先得’,速度變慢則意味著被淘汰,此前領域內的研究也都未注意到‘運動速度慢’竟然也有其優勢。”劉陳立認為,這些現象説明,細菌在空間擴張過程中,不只是採用了“加快運動速度”這一種策略,還有其他因素決定著“最終版圖”的分布。

        中國科學院院士、北京大學定量生物學中心教授歐陽頎聽聞這一實驗結果十分欣喜,在他看來,這個工作在針對微觀生態進化的“時域”與“空域”定量與係統研究方面跨了一大步。

        “在缺乏定量可控的實驗情況下,達爾文的進化論無法發展出能夠做出定量預測的理論,因而是不完整的。尤其是復雜時空變化的環境下,多物種的競爭與適應策略,更是進化理論研究的難點。”歐陽頎説。

        如今的這一成果,很明顯有了突破。

        歐陽頎説,這一成果利用細菌的遷移和繁殖等基本生命參量,研究了不同細菌種群在不同領地上的定居、生長、繁殖後代能力,以及適應力的演化規律,“與通常認為的‘先到先得’策略不同,特定領地上定植能力最強的細菌不是跑得最快的,而是不同的領地對應著一個最優的擴張速率。”

        菌群大戰“暴露”遷徙規律

        更為重要的是,劉陳立團隊並沒有停留在現象的表面,而是繼續往下走,走向理論解釋。

        在他們看到“先到不先得”這一違反直覺和常理的實驗結果後,科研團隊利用非線性動力學模型,推導了一個簡單的定量關係:通過經典的“兩兩競爭”實驗和數學模型分析,發現一個種群所佔空間大小和區域位置,與其競爭者的遷移速率有著明確的定量關係。

        劉為榮是劉陳立的博士生,也是這一成果論文的第一作者。他告訴記者,為了找出菌群“攻城略地”的關鍵因素和共性規律,科研團隊在後期設計了“兩兩競爭”實驗,讓運動速度不同的兩個菌群,在同一起點“同時擴張”,結果,依然讓人意外。

        一個非常特別的分水嶺出現了。

        具體來看,兩個菌群出發後,菌群數量的空間分布,漸漸地出現一個轉折位置,在這裏雙方“勢均力敵”。在該位置以內的空間,“跑得慢”的菌群佔有優勢,一旦超出這個位置,“跑得快”的菌群則以快取勝。

        隨後,科研團隊將“細菌大戰”的實驗,擴展到3個菌群,結果形成了兩大分水嶺,由慢到快運動速度不同的菌群,從內而外各自佔據了優勢空間。

        劉為榮告訴記者,在經過5組的進化菌群和合成生物學改造菌群的反復競爭實驗,結果證明,這一現象具有普遍性。

        她將這一情況記錄下來,團隊總結認為:在整個細菌遷徙的過程中,每個菌群都有著自己的“擴張策略”,根據想佔領的空間面積及位置,調控各自的遷徙速度,最終構成“各佔一隅”的穩定格局。

        找到遷徙進化的規律後,劉陳立團隊根據模型計算和實驗驗證推導出定量公式,包含生存面積、運動速度、生長速度這三大關鍵因素。根據這一公式,科學家便可以在已知空間大小的條件下,算出遷徙進化的最優策略。

        “這個漂亮的工作,示范了復雜生物過程背後存在著簡單定量關係。”歐陽頎説:這種細菌種群對領地的競爭,可被認為是一種空間上的“博弈遊戲”,作為遊戲玩家的細菌,將遷移速率作為一個策略,遷移速率穩定的平衡態,類似于博弈論中的納什均衡,也就是説從這個穩定策略中偏離的任何玩家,都不會得到任何利益。

        “造物”技術獲強大工具

        “這就為解釋同一生態環境條件下,物種多樣性的産生提供了啟示。”劉陳立説,此前的生態學理論大多認為,所處生態環境的不同,是導致物種多樣性産生的原因,如今這個定量規律,則揭示了不同物種,依據不同生長速度和運動速度,搶佔各自的生存空間的奧秘。

        更為重要的是,這一規律給21世紀興起的“造物”技術——合成生物學帶來更多可能。

        劉陳立告訴記者,“如果説合成生物學是像拼‘樂高’一樣,組裝生物結構,那麼此次研究得到的定量公式,則為‘造物’工程提供了全新的設計理論。”

        所謂合成生物學,就是採用工程化的設計理念,通過對生物體進行設計、改造和合成,創建人工生命體係。在科幻電影《侏羅紀公園》中,科學家利用天然琥珀中保留的恐龍血液,提取修復DNA分子結構等技術,培育出已經滅絕的恐龍——這種看起來頗為超前的生命科學理念,就是合成生物學的“電影版本”。

        “萬有引力、熱力學定律……物理世界已有許多規律可循。而我們認為,生物世界同樣存在定量規律,理解了定量規律後,才可以真正實現生物的工程化,最終達到造物致知,造物致用。”劉陳立説。

        在他看來,這一次從細菌上得到的生物遷徙進化規律,能夠從理論上指導多細胞生物或生態體係的構建。未來,在該理論的指導下,調控細胞運動、生長速度,定量計算細胞在空間中的分布位置,有望實現生物組織和器官的工程化合成。

        趙國屏同意這一説法,在他看來,傳統的細菌實驗性進化,通常只考慮時間信息,而這個工作,則專門考察種群為什麼能夠在空間上競爭性定植,並解析這一定植過程中基因組的進化規律。

        “這項研究表明,細菌不僅是開展定量生物學和合成生物學研究的極好材料,也是開展實驗性進化研究的極好材料。”趙國屏説,遺憾的是,國內從事這方面研究的實驗室不多。

        究其原因,一方面是需要研究者有很深厚的遺傳學和進化科學的理論知識功底;另一方面,此類工作的成功,需要在大量和長期的重復性精確測定獲得的數據基礎上,才可能給出定量分析和理論模型預測。趙國屏希望以此為起點,能夠啟發我國從事生命科學基礎研究的研究者,尤其是年輕的研究人員,拓展研究視野,大膽創新思路。

        他説,生命科學研究正在開啟以係統化、定量化和工程化為特徵的“多學科會聚”研究的新時代,正在逐漸從描述階段,經過分析階段向建構性階段發展,最終達到對生命與生命過程“可預測、可調控和可創造”目標。

        “在這個過程中,一個重要的科學問題,就是獲得對生物體係有序結構形成原理的定量認識。”趙國屏説。如今這一成果做到了,但也僅僅是一個開始。(邱晨輝)

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【糾錯】 責任編輯: 蘆俊文
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