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(gè)受精卵分裂出的40萬億細(xì)胞是如何有序形成各個(gè)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。

如今,這一生命發(fā)展的本質(zhì)規(guī)律,用一個(gè)公式就能“算”出來——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,與加州大學(xué)圣地亞哥分校華泰立教授團(tuán)隊(duì)合作,11月7日在Nature雜志以長文形式發(fā)表了研究論文。

圖為文章上線Nature的頁面截圖。圖片由深圳先進(jìn)院提供

研究經(jīng)過5年時(shí)間的大量進(jìn)化生物學(xué)、定量生物學(xué)和合成生物學(xué)研究,反復(fù)研究空間遷徙與進(jìn)化,最終得到一個(gè)揭示生物遷徙進(jìn)化策略的定量規(guī)律,為合成生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、甚至是現(xiàn)代企業(yè)擴(kuò)張?zhí)峁┝巳碌睦碚撝笇?dǎo)和啟示。

非洲動(dòng)物大遷徙是自然界一大奇觀,每年數(shù)以百萬的動(dòng)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(duì)伍。

將上述大場面搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室,把動(dòng)物替換成細(xì)菌放進(jìn)培養(yǎng)皿,便成了劉陳立團(tuán)隊(duì)研究的對(duì)象——細(xì)菌遷徙。“過去的研究普遍認(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(shí)跑的時(shí)候,情況出人意料。”劉陳立說道。

在探究細(xì)菌遷徙的前期實(shí)驗(yàn)中,團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(gè)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(dòng)速度慢也有優(yōu)勢(shì)。”劉陳立表示,“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(dòng)速度這一種策略,還有其它因素決定著最終的‘版圖’分布。”

圖為研究團(tuán)隊(duì) 由左至右:李登進(jìn)(共同作者),劉陳立(通訊作者),劉為榮(共同第一作者)。圖片由深圳先進(jìn)院提供

為找出菌群“攻城略地”的關(guān)鍵因素和共性規(guī)律,團(tuán)隊(duì)在后期設(shè)計(jì)了兩兩競爭實(shí)驗(yàn),讓運(yùn)動(dòng)速度不同的兩個(gè)菌群在同一起點(diǎn)同時(shí)“擴(kuò)張”,結(jié)果顯示,一個(gè)非常特別的分水嶺出現(xiàn)了。

“兩個(gè)菌群出發(fā)后,菌群數(shù)量的空間分布會(huì)出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折位置,在這里雙方勢(shì)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(shì),一旦超出這個(gè)位置,跑得快的菌群則以快取勝。” 隨后,團(tuán)隊(duì)繼續(xù)將“細(xì)菌大戰(zhàn)”的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到三個(gè)菌群,結(jié)果形成了兩大分水嶺,由慢到快運(yùn)動(dòng)速度不同的菌群,從內(nèi)而外各自占據(jù)了優(yōu)勢(shì)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。

劉陳立總結(jié)說,在整個(gè)遷徙過程中,每個(gè)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(duì)根據(jù)模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證推導(dǎo)出一個(gè)簡單定量公式,包含生存面積、運(yùn)動(dòng)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(gè)定量原理認(rèn)為不同物種在搶占各自的生存空間時(shí),有著不同的生長速度和運(yùn)動(dòng)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。

從合成生物學(xué)角度而言,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(jì)理論。

“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。”劉陳立表示。

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(dòng)、生長速度,定量計(jì)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。