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細菌大遷徙:達爾文那一套又不管用了?

2019-12-02    作者:邱晨輝   來源:中國青年報   VIEW:

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?同一片森林裡的上百種生物,是如何搶占生存空間,以構成複雜而穩定的生態系統的?儘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「按需製造」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:微觀世界里的細菌大遷徙。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》雜誌發表。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,對於物種進化,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範例。

「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」嚮北進發: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50萬隻瞪羚。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,也可優先占領某一片領土,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,想要占領最大疆域,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,各重複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,占領外圍的菌群越「跑」越快,而占領中心的菌群,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,這些現象說明,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」定量與系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。尤其是複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。」歐陽頎說。

如今的這一成果,很明顯有了突破。

歐陽頎說,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,發現一個種群所占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,在這裡雙方「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,從內而外各自占據了優勢空間。

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」,根據想占領的空間面積及位置,調控各自的遷徙速度,最終構成「各占一隅」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,示範了複雜生物過程背後存在著簡單定量關係。」歐陽頎說: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,類似於博弈論中的納什均衡,也就是說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,物種多樣性的產生提供了啟示。」劉陳立說,此前的生態學理論大多認為,所處生態環境的不同,是導致物種多樣性產生的原因,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,搶占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,「如果說合成生物學是像拼『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,創建人工生命體系。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。」劉陳立說。

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系的構建。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。

趙國屏同意這一說法,在他看來,傳統的細菌實驗性進化,通常只考慮時間資訊,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。」趙國屏說,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複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。

他說,生命科學研究正在開啟以系統化、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,就是獲得對生物體系有序結構形成原理的定量認識。」趙國屏說。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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