一个公式“算”出生物迁徙进化规律!中国科学家做到了

2019-11-08 20:19 科技日报

打印 放大 缩小

来源标题:一个公式“算”出生物迁徙进化规律!中国科学家做到了

点击观看完整报道!

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?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。

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,用一个公式“算”出了这一生命发展的本质规律。

北京时间11月7日凌晨,国际顶级学术期刊《自然》(Nature)以长文形式发表了题为“An evolutionarily stable strategy to colonize spatially extended habitats”的研究论文。该论文的第一作者和最后通讯作者单位均为深圳先进院。

刘陈立等人经过5年时间,进行大量进化生物学、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。

刘陈立团队,由左至右:李登进(共同作者),刘为荣(共同第一作者),刘陈立(通讯作者)。

合成生物学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。定量生物学则应用严谨的数理逻辑思维研究生物系统基本原理,旨在用简单定量关系描述复杂生物过程。

未参与该项研究工作的中国科学院合成生物学重点实验室赵国屏院士评价说,“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’研究的新时代,正在逐渐从描述(descriptive)阶段,经过分析(analysis)阶段向建构性(constructive/synthesis)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是获得对生物体系有序结构形成原理的定量认识。“

赵国屏认为,这是一个完全原始创新的工作。“独辟蹊径地将空间信息引入细菌实验性进化研究”,结合‘设计-建构-检测’,“最终探知了种群在空间上竞争性定植背后‘隐藏’的定量规律”。

北京大学定量生物学中心欧阳颀院士也评价说,“这个工作在针对微观生态进化的‘时域’与‘空域’的精细定量程度与系统程度方面跨出了一大步。”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。而本研究则“示范了复杂生物过程背后存在着简单定量关系”。

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。

刘陈立团队将非洲动物大迁徙场面搬进实验室,只不过把动物替换成细菌放进培养皿,他们的研究对象也就成了细菌迁徙。

“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。”刘陈立说表示。

在探究细菌迁徙的前期实验中,研究团队设计了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。”

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,研究团队随后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。

“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、论文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,研究团队继续将“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。

刘陈立总结称,在整个迁徙过程中,每个种群都有着自己的“扩张策略”,根据想占领的空间面积及位置,调控各自的迁徙和生长速度,最终构成各占一隅的稳定格局。

找到迁徙进化的规律后,研究团队根据模型计算和实验验证推导出一个简单定量公式,包含生存面积、运动速度、生长速度这三大关键因素。根据该公式,在已知空间大小的条件下,便能算出迁徙进化的最优策略。

定量公式为“造物”工程提供全新设计理念

论文提到,从生态学角度而言,上述定量原理认为不同物种在抢占各自的生存空间时,有着不同的生长速度和运动速度。这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。而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。

而从合成生物学角度而言,如果说合成生物学是像拼“乐高”一样组装生物结构,那么本次研究得到的定量公式则为“造物”工程提供了全新的设计理论。

“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,才可以真正实现生物的工程化,最终达到造物致知,造物致用。”刘陈立表示。

作为基础研究领域的重大突破,此次从细菌上学习到的生物迁徙进化规律,能够从理论上指导多细胞生物或生态体系的构建。未来,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,有望实现生物组织和器官的工程化合成。

责任编辑:陈宏旭(QV0021)