一个公式“算”出生物迁徙进化规律!中国科学家做到了

隆昌电视新闻网 李晓丽 2019-11-08 22:55:56
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  科技日报记者 刘传书

  世间万物究竟是造物主的杰作,还是物竞天择的结果?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,但多细胞生物的“按需制造”原理尚未知晓,“物竞天择”也难以解释同一环境下的物种多样性。

  如今,这一生命发展的本质规律,用一个公式就能“算”出来——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刘陈立研究员实验室,与加州大学圣地亚哥分校华泰立教授团队合作,11月7日在Nature杂志以长文形式发表了研究论文。

  

一个公式“算”出生物迁徙进化规律!中国科学家做到了

  图为文章上线Nature的页面截图。图片由深圳先进院提供

  研究经过5年时间的大量进化生物学、定量生物学和合成生物学研究,反复研究空间迁徙与进化,最终得到一个揭示生物迁徙进化策略的定量规律,为合成生物学、生态学、甚至是现代企业扩张提供了全新的理论指导和启示。

  小细菌制造大谜题:“抢地盘”不光靠“跑得快”

  非洲动物大迁徙是自然界一大奇观,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40万新生命加入队伍。

  将上述大场面搬进实验室,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——细菌迁徙。“过去的研究普遍认为,在细菌迁徙的竞争中,想要占领最大疆域,扩张速度越快越好,不同细菌单独跑的情况下也确实如此;然而,不同细菌同时跑的时候,情况出人意料。”刘陈立说道。

  在探究细菌迁徙的前期实验中,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”。“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也有优势。”刘陈立表示,“我们的实验说明细菌在空间扩张过程中,不止采用加快运动速度这一种策略,还有其它因素决定着最终的‘版图’分布。”

  

一个公式“算”出生物迁徙进化规律!中国科学家做到了

  图为研究团队 由左至右:李登进(共同作者),刘陈立(通讯作者),刘为荣(共同第一作者)。图片由深圳先进院提供

  菌群大战“暴露”迁徙规律定量公式“算”出最优策略

  为找出菌群“攻城略地”的关键因素和共性规律,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”,结果显示,一个非常特别的分水岭出现了。

  

一个公式“算”出生物迁徙进化规律!中国科学家做到了

细菌群体迁徙进化实验图片来自深圳先进院

  “两个菌群出发后,菌群数量的空间分布会出现一个转折位置,在这里双方势均力敌,”刘陈立的博士生也是本文的第一作者刘为荣介绍说,“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,团队继续将“细菌大战”的实验扩展到三个菌群,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。经过5组进化菌群和合成生物学改造菌群的反复竞争实验证明,这一现象具有普遍性。