细菌大迁徙:达尔文那一套又不管用了

邱晨辉 2019-12-03 浏览:

细菌大迁徙:达尔文那一套又不管用了

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。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研究员刘陈立所领导的科研团队,与美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未来的“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,以长文形式在国际学术期刊《自然》杂志发表。中国科学院院士、中国科学院合成生物学重点实验室研究员赵国屏评价道:这一原创新工作所揭示的规律,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。

细菌大迁徙:达尔文那一套又不管用了

“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40万个新生命加入队伍。

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或新的生存环境,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。

中国科学院院士、北京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。

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