很多人把達(dá)爾文的“物競天擇，適者生存”奉為圭臬，但也有人并不相信生物進(jìn)化論以及后來的社會達(dá)爾文主義那一套。至少，它并不能完全解釋這個世界的運(yùn)行。

比如，一個受精卵分裂出的40萬億細(xì)胞，是如何有序形成各個組織器官，并最終發(fā)育為完整人體的？同一片森林里的上百種生物，是如何搶占生存空間，以構(gòu)成復(fù)雜而穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)的？盡管進(jìn)化論指出了生命的演化規(guī)律和發(fā)展方向，但多細(xì)胞生物“按需制造”的原理，至今仍然是一個謎題，而同一環(huán)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(xué)家又找到一個反例：微觀世界里的細(xì)菌大遷徙。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院研究員劉陳立所領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊，與美國加州大學(xué)圣地亞哥分校教授華泰立的團(tuán)隊合作，歷時5年發(fā)現(xiàn)，在細(xì)菌的遷徙過程中，并非“快”勝出“慢”淘汰，而是每種生物都對應(yīng)著一個最優(yōu)的擴(kuò)張速度和策略，據(jù)此算出生物遷徙進(jìn)化策略的定量公式，以其解釋生物多樣性并為未來的“造物”提供工具。

前不久，這一被認(rèn)為“基礎(chǔ)研究領(lǐng)域重大突破”的成果，以長文形式在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表。中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室研究員趙國屏評價道：這一原創(chuàng)新工作所揭示的規(guī)律，對于物種進(jìn)化，特別是物種內(nèi)部微進(jìn)化理論的發(fā)展，具有不可取代的重要意義，也是實(shí)驗性進(jìn)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(shù)以百萬的動物分為前中后“三軍”向北進(jìn)發(fā)：打頭陣的，是20多萬匹野斑馬，緊跟其后的，是百萬頭角馬，殿后的，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(jìn)”實(shí)驗室，把動物替換成細(xì)菌，放進(jìn)培養(yǎng)皿，便成了劉陳立團(tuán)隊研究的對象——細(xì)菌大遷徙。

劉陳立告訴記者，根據(jù)傳統(tǒng)的研究結(jié)果，為了應(yīng)對環(huán)境的變化，生物通過遷徙獲得營養(yǎng)或新的生存環(huán)境，在遷徙過程中走在最前面的生物，具有優(yōu)先選擇權(quán)，可以選擇可口的食物，也可優(yōu)先占領(lǐng)某一片領(lǐng)土，似乎“越快越好”就是最優(yōu)的生存策略。

相應(yīng)地，在細(xì)菌遷徙的競爭中，想要占領(lǐng)最大疆域，也是擴(kuò)張速度“越快越好”，不同細(xì)菌“單獨(dú)奔跑”的情況下確實(shí)如此。

然而，不同細(xì)菌“同時奔跑”的時候，出人意料的事發(fā)生了。

在探究細(xì)菌遷徙的前期實(shí)驗中，劉陳立團(tuán)隊設(shè)計了4種培養(yǎng)環(huán)境，在每種環(huán)境中反復(fù)“演繹”細(xì)菌遷徙過程，各重復(fù)50個循環(huán)后，科研人員驚奇地發(fā)現(xiàn)：菌群的遷移速率呈發(fā)散狀變化，占領(lǐng)外圍的菌群越“跑”越快，而占領(lǐng)中心的菌群，則不斷放慢“腳步”。

結(jié)果顯示，不僅“快菌”有優(yōu)勢，“慢菌”也找到了自己的生存空間。

“這一現(xiàn)象出乎我們的意料，在均一環(huán)境下，一般認(rèn)為‘先到先得’，速度變慢則意味著被淘汰，此前領(lǐng)域內(nèi)的研究也都未注意到‘運(yùn)動速度慢’竟然也有其優(yōu)勢。”劉陳立認(rèn)為，這些現(xiàn)象說明，細(xì)菌在空間擴(kuò)張過程中，不只是采用了“加快運(yùn)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(xué)院院士、北京大學(xué)定量生物學(xué)中心教授歐陽頎聽聞這一實(shí)驗結(jié)果十分欣喜，在他看來，這個工作在針對微觀生態(tài)進(jìn)化的“時域”與“空域”定量與系統(tǒng)研究方面跨了一大步。

“在缺乏定量可控的實(shí)驗情況下，達(dá)爾文的進(jìn)化論無法發(fā)展出能夠做出定量預(yù)測的理論，因而是不完整的。尤其是復(fù)雜時空變化的環(huán)境下，多物種的競爭與適應(yīng)策略，更是進(jìn)化理論研究的難點(diǎn)。”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(xì)菌的遷移和繁殖等基本生命參量，研究了不同細(xì)菌種群在不同領(lǐng)地上的定居、生長、繁殖后代能力，以及適應(yīng)力的演化規(guī)律，“與通常認(rèn)為的‘先到先得’策略不同，特定領(lǐng)地上定植能力最強(qiáng)的細(xì)菌不是跑得最快的，而是不同的領(lǐng)地對應(yīng)著一個最優(yōu)的擴(kuò)張速率。”

菌群大戰(zhàn)“暴露”遷徙規(guī)律

更為重要的是，劉陳立團(tuán)隊并沒有停留在現(xiàn)象的表面，而是繼續(xù)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(shí)驗結(jié)果后，科研團(tuán)隊利用非線性動力學(xué)模型，推導(dǎo)了一個簡單的定量關(guān)系：通過經(jīng)典的“兩兩競爭”實(shí)驗和數(shù)學(xué)模型分析，發(fā)現(xiàn)一個種群所占空間大小和區(qū)域位置，與其競爭者的遷移速率有著明確的定量關(guān)系。

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(guān)鍵因素和共性規(guī)律，科研團(tuán)隊在后期設(shè)計了“兩兩競爭”實(shí)驗，讓運(yùn)動速度不同的兩個菌群，在同一起點(diǎn)“同時擴(kuò)張”，結(jié)果，依然讓人意外。

一個非常特別的分水嶺出現(xiàn)了。

具體來看，兩個菌群出發(fā)后，菌群數(shù)量的空間分布，漸漸地出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折位置，在這里雙方“勢均力敵”。在該位置以內(nèi)的空間，“跑得慢”的菌群占有優(yōu)勢，一旦超出這個位置，“跑得快”的菌群則以快取勝。

隨后，科研團(tuán)隊將“細(xì)菌大戰(zhàn)”的實(shí)驗，擴(kuò)展到3個菌群，結(jié)果形成了兩大分水嶺，由慢到快運(yùn)動速度不同的菌群，從內(nèi)而外各自占據(jù)了優(yōu)勢空間。

劉為榮告訴記者，在經(jīng)過5組的進(jìn)化菌群和合成生物學(xué)改造菌群的反復(fù)競爭實(shí)驗，結(jié)果證明，這一現(xiàn)象具有普遍性。

她將這一情況記錄下來，團(tuán)隊總結(jié)認(rèn)為：在整個細(xì)菌遷徙的過程中，每個菌群都有著自己的“擴(kuò)張策略”，根據(jù)想占領(lǐng)的空間面積及位置，調(diào)控各自的遷徙速度，最終構(gòu)成“各占一隅”的穩(wěn)定格局。

找到遷徙進(jìn)化的規(guī)律后，劉陳立團(tuán)隊根據(jù)模型計算和實(shí)驗驗證推導(dǎo)出定量公式，包含生存面積、運(yùn)動速度、生長速度這三大關(guān)鍵因素。根據(jù)這一公式，科學(xué)家便可以在已知空間大小的條件下，算出遷徙進(jìn)化的最優(yōu)策略。

“這個漂亮的工作，示范了復(fù)雜生物過程背后存在著簡單定量關(guān)系。”歐陽頎說：這種細(xì)菌種群對領(lǐng)地的競爭，可被認(rèn)為是一種空間上的“博弈游戲”，作為游戲玩家的細(xì)菌，將遷移速率作為一個策略，遷移速率穩(wěn)定的平衡態(tài)，類似于博弈論中的納什均衡，也就是說從這個穩(wěn)定策略中偏離的任何玩家，都不會得到任何利益。

“造物”技術(shù)獲強(qiáng)大工具

“這就為解釋同一生態(tài)環(huán)境條件下，物種多樣性的產(chǎn)生提供了啟示。”劉陳立說，此前的生態(tài)學(xué)理論大多認(rèn)為，所處生態(tài)環(huán)境的不同，是導(dǎo)致物種多樣性產(chǎn)生的原因，如今這個定量規(guī)律，則揭示了不同物種，依據(jù)不同生長速度和運(yùn)動速度，搶占各自的生存空間的奧秘。

更為重要的是，這一規(guī)律給21世紀(jì)興起的“造物”技術(shù)——合成生物學(xué)帶來更多可能。

劉陳立告訴記者，“如果說合成生物學(xué)是像拼‘樂高’一樣，組裝生物結(jié)構(gòu)，那么此次研究得到的定量公式，則為‘造物’工程提供了全新的設(shè)計理論。”

所謂合成生物學(xué)，就是采用工程化的設(shè)計理念，通過對生物體進(jìn)行設(shè)計、改造和合成，創(chuàng)建人工生命體系。在科幻電影《侏羅紀(jì)公園》中，科學(xué)家利用天然琥珀中保留的恐龍血液，提取修復(fù)DNA分子結(jié)構(gòu)等技術(shù)，培育出已經(jīng)滅絕的恐龍——這種看起來頗為超前的生命科學(xué)理念，就是合成生物學(xué)的“電影版本”。

“萬有引力、熱力學(xué)定律……物理世界已有許多規(guī)律可循。而我們認(rèn)為，生物世界同樣存在定量規(guī)律，理解了定量規(guī)律后，才可以真正實(shí)現(xiàn)生物的工程化，最終達(dá)到造物致知，造物致用。”劉陳立說。

在他看來，這一次從細(xì)菌上得到的生物遷徙進(jìn)化規(guī)律，能夠從理論上指導(dǎo)多細(xì)胞生物或生態(tài)體系的構(gòu)建。未來，在該理論的指導(dǎo)下，調(diào)控細(xì)胞運(yùn)動、生長速度，定量計算細(xì)胞在空間中的分布位置，有望實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的細(xì)菌實(shí)驗性進(jìn)化，通常只考慮時間信息，而這個工作，則專門考察種群為什么能夠在空間上競爭性定植，并解析這一定植過程中基因組的進(jìn)化規(guī)律。

“這項研究表明，細(xì)菌不僅是開展定量生物學(xué)和合成生物學(xué)研究的極好材料，也是開展實(shí)驗性進(jìn)化研究的極好材料。”趙國屏說，遺憾的是，國內(nèi)從事這方面研究的實(shí)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(xué)和進(jìn)化科學(xué)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(fù)性精確測定獲得的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，才可能給出定量分析和理論模型預(yù)測。趙國屏希望以此為起點(diǎn)，能夠啟發(fā)我國從事生命科學(xué)基礎(chǔ)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(chuàng)新思路。

他說，生命科學(xué)研究正在開啟以系統(tǒng)化、定量化和工程化為特征的“多學(xué)科會聚”研究的新時代，正在逐漸從描述階段，經(jīng)過分析階段向建構(gòu)性階段發(fā)展，最終達(dá)到對生命與生命過程“可預(yù)測、可調(diào)控和可創(chuàng)造”目標(biāo)。

“在這個過程中，一個重要的科學(xué)問題，就是獲得對生物體系有序結(jié)構(gòu)形成原理的定量認(rèn)識。”趙國屏說。如今這一成果做到了，但也僅僅是一個開始。

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