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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

刘陈立团队照片 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)。{插入关键字}。

漫画由祖【国】科【学】院深圳先【进】技术研究院供图

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。祖【国】科【学】院深圳先【进】技术研究院、深圳合【成】【生】物【学】创货币研究院研究员刘陈立【所】领导【的】科研团队,与米【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】将【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】世界【学】术期刊《【自】然》杂志【发】表。祖【国】科【学】院院士、祖【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】原创货币【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】货币【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【可】【能】货币【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。

祖【国】科【学】院院士、首【都】【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】货币【的】设计理论。”

【所】谓合【成】【生】物【学】,【就】【是】采【用】【工】程化【的】设计理念,通【过】【对】【生】物体【进】【行】设计、改造【和】合【成】,创建【人】【工】【生】命体系。【在】科幻电影《侏罗纪公园》【中】,科【学】【家】利【用】【天】然琥珀【中】保留【的】恐龙血液,提取修复DNA【分】【子】结构等技术,培育【出】已【经】灭绝【的】恐龙——【这】【种】【看】【起】【来】颇【为】超【前】【的】【生】命科【学】理念,【就】【是】合【成】【生】物【学】【的】“电影版【本】”。

“万【有】引力、热力【学】【定】律……物理世界已【有】许【多】规律【可】循。【而】【我】【们】认【为】,【生】物世界【同】【样】存【在】【定】量规律,理解【了】【定】量规律【后】,才【可】【以】真正达【成】【生】物【的】【工】程化,最终达【到】造物致知,造物致【用】。”刘陈立【说】。

【在】【他】【看】【来】,【这】【一】次【从】细菌【上】【得】【到】【的】【生】物迁徙【进】化规律,【能】够【从】理论【上】指导【多】细胞【生】物【可】【能】【生】态体系【的】构建。将【来】,【在】该理论【的】指导【下】,调控细胞运【动】、【生】【长】速度,【定】量计算细胞【在】空间【中】【的】【分】布位置,【有】望达【成】【生】物组织【和】器官【的】【工】程化合【成】。

赵【国】屏【同】意【这】【一】【说】【法】,【在】【他】【看】【来】,传统【的】细菌实验性【进】化,通常只考虑【时】间信息,【而】【这】【个】【工】【作】,则专门考察【种】群【为】什么【能】够【在】空间【上】竞争性【定】植,并解析【这】【一】【定】植【过】程【中】基因组【的】【进】化规律。

“【这】项研究表明,细菌【不】仅【是】开展【定】量【生】物【学】【和】合【成】【生】物【学】研究【的】极【好】材料,【也】【是】开展实验性【进】化研究【的】极【好】材料。”赵【国】屏【说】,遗憾【的】【是】,【国】内【从】【事】【这】【方】【面】研究【的】实验室【不】【多】。

究其原因,【一】【方】【面】【是】需【要】研究者【有】很深厚【的】遗传【学】【和】【进】化科【学】【的】理论知识功底;另【一】【方】【面】,此类【工】【作】【的】【成】功,需【要】【在】【大】量【和】【长】期【的】重复性精确测【定】获【得】【的】数据基础【上】,才【可】【能】给【出】【定】量【分】析【和】理论模型预测。赵【国】屏希望【以】此【为】【起】点,【能】够启【发】【我】【国】【从】【事】【生】命科【学】基础研究【的】研究者,尤其【是】【年】轻【的】研究【人】员,拓展研究视野,【大】胆创货币思路。

【他】【说】,【生】命科【学】研究正【在】开启【以】系统化、【定】量化【和】【工】程化【为】特征【的】“【多】【学】科【会】聚”研究【的】货币【时】代,正【在】逐渐【从】描述阶段,【经】【过】【分】析阶段向建构性阶段【发】展,最终达【到】【对】【生】命与【生】命【过】程“【可】预测、【可】调控【和】【可】创造”目标。

“【在】【这】【个】【过】程【中】,【一】【个】重【要】【的】科【学】【问】题,【就】【是】获【得】【对】【生】物体系【有】序结构形【成】原理【的】【定】量认识。”赵【国】屏【说】。如今【这】【一】【成】果做【到】【了】,但【也】仅仅【是】【一】【个】开始。

中国青年网;细菌;迁徙;研究;达尔文;生物;刘陈立;定量;空间;规律;速度

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最新评论
  • 留言时间:2019-12-12 19:04:46郑智纹 热切 晚睡晚起,混日子容易;日升月落,时钟从来不停。是否还记得年初鸿愿?是否还记得今年梦想?年终总结日,别怪我没提醒!想成功,就要多努力,少闲息!
  • 留言时间:2019-12-04 07:33:31邓思琪 希盼 做事心情忌浮躁,上班没事莫迟到,一份工作做得好,用心其实很重要,职场人生要看高,发愤图强才是绝招,也许现在有点点糟,前途却是正走高,祝工作顺心。
  • 留言时间:2019-12-02 22:14:41袁欢 恭贺 风轻轻,带走无声的岁月。雨静静,唱出思念你的歌。云轻轻,漫步在有你的世界。朋友,谢谢你陪我走过每个春暖花开的季节。
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