世間萬物究竟是造物主的杰作，還是物競天擇的結(jié)果？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？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)胞生物的”按需制造”原理尚未知曉，”物競天擇”也難以解釋同一環(huán)境下的物種多樣性。

11 月 7 日，Nature 雜志發(fā)表了中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院劉陳立研究員實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)圣地亞哥分校華泰立教授實(shí)驗(yàn)室的合作成果”空間擴(kuò)展生境定植的進(jìn)化穩(wěn)定性策略”(An evolutionarily stable strategy to colonize spatially extended habitats)。

（來源：Nature）

研究團(tuán)隊通過一個簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系，總結(jié)了細(xì)菌通過平衡生長和運(yùn)動的進(jìn)化策略來實(shí)現(xiàn)空間上的分布多樣性規(guī)律，該成果對于構(gòu)建穩(wěn)定的合成多細(xì)胞系統(tǒng)、解釋均質(zhì)環(huán)境下如何維持生物多樣性、或預(yù)測物種遷移定植的最優(yōu)策略等問題提供了理論指導(dǎo)。

更進(jìn)一步，生命發(fā)展的本質(zhì)規(guī)律，有望用一個公式就能”算”出來。

菌群大戰(zhàn)”暴露”遷徙規(guī)律

非洲動物大遷徙是自然界一大奇觀，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 萬新生命加入隊伍。

將上述大場面搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)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)菌遷徙?！边^去的研究普遍認(rèn)為，在細(xì)菌遷徙的競爭中，想要占領(lǐng)最大疆域，擴(kuò)張速度越快越好，不同細(xì)菌單獨(dú)跑的情況下也確實(shí)如此；然而，不同細(xì)菌同時跑的時候，情況出人意料?！眲㈥惲⒄f道。

在探究細(xì)菌遷徙的前期實(shí)驗(yàn)中，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”。

“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)動速度慢也有優(yōu)勢?！眲㈥惲⒈硎?，”我們的實(shí)驗(yàn)說明細(xì)菌在空間擴(kuò)張過程中，不止采用加快運(yùn)動速度這一種策略，還有其它因素決定著最終的’版圖’分布。”

為找出菌群”攻城略地”的關(guān)鍵因素和共性規(guī)律，團(tuán)隊在后期設(shè)計了兩兩競爭實(shí)驗(yàn)，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，一個非常特別的分水嶺出現(xiàn)了。

“兩個菌群出發(fā)后，菌群數(shù)量的空間分布會出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折位置，在這里雙方勢均力敵，”劉陳立的博士生、也是本文的第一作者劉為榮介紹說，”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?！?/p>

隨后，團(tuán)隊繼續(xù)將”細(xì)菌大戰(zhàn)”的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到三個菌群，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。經(jīng)過 5 組進(jìn)化菌群和合成生物學(xué)改造菌群的反復(fù)競爭實(shí)驗(yàn)證明，這一現(xiàn)象具有普遍性。

圖 | 合成生物改造菌株驗(yàn)證競爭性遷移分布規(guī)律

劉陳立分析稱，在整個遷徙過程中，每個種群都有著自己的”擴(kuò)張策略”，根據(jù)想占領(lǐng)的空間面積及位置，調(diào)控各自的遷徙和生長速度，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，研究團(tuán)隊根據(jù)模型計算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證推導(dǎo)出一個簡單定量公式，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)該公式，在已知空間大小的條件下，便能算出遷徙進(jìn)化的最優(yōu)策略。

從生態(tài)學(xué)角度而言，這個定量原理認(rèn)為不同物種在搶占各自的生存空間時，有著不同的生長速度和運(yùn)動速度。這為解釋同一生態(tài)環(huán)境條件下物種多樣性的產(chǎn)生提供了啟示。而此前的生態(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)，那么本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。

生物世界亦有規(guī)律可循

“萬有引力、熱力學(xué)定律……物理世界亦有許多規(guī)律可循。而研究人員認(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?！眲㈥惲⒈硎?。

作為基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的重大突破，此次從細(xì)菌上學(xué)習(xí)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。

中國科學(xué)院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙國屏院士認(rèn)為，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)問題是獲得對生物體系有序結(jié)構(gòu)形成原理的定量認(rèn)識。

“這是一個完全原始創(chuàng)新的工作。它所揭示的定量規(guī)律能夠?yàn)楹铣啥嗉?xì)胞生物體系有序結(jié)構(gòu)的設(shè)計與構(gòu)建基礎(chǔ)理論指導(dǎo)，是合成生物學(xué)‘建物致知’研究理念的生動示范。同時，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，也具有不可取代的重要意義，也是實(shí)驗(yàn)性進(jìn)化研究的一次生動范例?！?/p>

（來源：Pixabay）

北京大學(xué)定量生物學(xué)中心歐陽頎院士評價說：”這個工作在針對微觀生態(tài)進(jìn)化的’時域’與’空域’的精細(xì)定量程度與系統(tǒng)程度方面跨出了一大步?！?/p>

歐陽頎認(rèn)為，在缺乏定量可控的實(shí)驗(yàn)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)。本文利用細(xì)菌的遷移和繁殖等基本生命參量，研究了不同細(xì)菌種群在限定營養(yǎng)的二維空間中，不同領(lǐng)地上定植能力最強(qiáng)的細(xì)菌種群的生長和擴(kuò)張速率等適應(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（擴(kuò)張速率最大的），而是不同的領(lǐng)地對應(yīng)著一個最優(yōu)的擴(kuò)張速率。更值得注意的，作者利用非線性動力學(xué)模型，推導(dǎo)了一個簡單的定量關(guān)系解釋了”先到不先得”的違反直覺的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

更奇妙的是，這項研究對于經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域的研究也有啟發(fā)。

這種細(xì)菌種群對領(lǐng)地的競爭定植可被認(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。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。

細(xì)菌遷徙擴(kuò)張所獲得的規(guī)律甚至可以推演企業(yè)在市場中應(yīng)采取的最佳擴(kuò)張策略。

上海紐約大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)副教授翁韡韡表示，面對當(dāng)今復(fù)雜多變的市場環(huán)境，個體企業(yè)很難簡單快速地決定最優(yōu)的公司規(guī)模以及相應(yīng)的擴(kuò)張速度。細(xì)菌遷移擴(kuò)張實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一定程度上也為”最優(yōu)公司規(guī)模”理論提供了生物學(xué)上的證據(jù)。就菌群的遷移速率呈發(fā)散狀變化這一結(jié)果而言，對應(yīng)于公司決策層面，我們可以借鑒推演公司在探索最優(yōu)規(guī)模的過程中所呈現(xiàn)的整體行為特征——不同類型的公司根據(jù)自身的特質(zhì)以及對所處的市場環(huán)境大小，漸進(jìn)式擴(kuò)張，逐步明確適合自身的最優(yōu)規(guī)模和相應(yīng)的擴(kuò)張速度，策略差異越發(fā)顯著。區(qū)別于盲目的快速擴(kuò)張，理性的逐步趨于各自最優(yōu)擴(kuò)張規(guī)模的做法也會自然帶來公司類型以及市場的多樣性。

來源：MIT科技評論