世間萬物究竟是造物主的杰作,還是物競天擇的結果?一個受精卵分裂出的40萬億細胞是如何有序形成各個組織器官,并最終發育為完整人體的?同一片森林里的上百種生物是如何搶占生存空間,以構成復雜而穩定的生態系統的?盡管進化論指出了生命的演化規律和發展方向,但多細胞生物的“按需制造”原理尚未知曉,“物競天擇”也難以解釋同一環境下的物種多樣性。

如今,這一生命發展的本質規律,用一個公式就能“算”出來——中國科學院深圳先進技術研究院、深圳合成生物學創新研究院劉陳立研究員實驗室,與加州大學圣地亞哥分校華泰立教授團隊合作,11月7日在Nature雜志以長文形式發表了研究論文。

圖為文章上線Nature的頁面截圖。圖片由深圳先進院提供

研究經過5年時間的大量進化生物學、定量生物學和合成生物學研究,反復研究空間遷徙與進化,最終得到一個揭示生物遷徙進化策略的定量規律,為合成生物學、生態學、甚至是現代企業擴張提供了全新的理論指導和啟示。

非洲動物大遷徙是自然界一大奇觀,每年數以百萬的動物分為前中后“三軍”向北進發,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。

將上述大場面搬進實驗室,把動物替換成細菌放進培養皿,便成了劉陳立團隊研究的對象——細菌遷徙。“過去的研究普遍認為,在細菌遷徙的競爭中,想要占領最大疆域,擴張速度越快越好,不同細菌單獨跑的情況下也確實如此;然而,不同細菌同時跑的時候,情況出人意料。”劉陳立說道。

在探究細菌遷徙的前期實驗中,團隊設計了4種培養環境,在每種環境中反復“演繹”細菌遷徙過程,各重復50個循環后發現:菌群的遷移速率呈發散狀變化,占領外圍的菌群越“跑”越快,而占領中心的菌群則不斷放慢“腳步”。“這一現象出乎我們的意料,在均一環境下,一般認為‘先到先得’,速度變慢則意味著被淘汰,此前領域內的研究也都未注意到運動速度慢也有優勢。”劉陳立表示,“我們的實驗說明細菌在空間擴張過程中,不止采用加快運動速度這一種策略,還有其它因素決定著最終的‘版圖’分布。”

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

為找出菌群“攻城略地”的關鍵因素和共性規律,團隊在后期設計了兩兩競爭實驗,讓運動速度不同的兩個菌群在同一起點同時“擴張”,結果顯示,一個非常特別的分水嶺出現了。

“兩個菌群出發后,菌群數量的空間分布會出現一個轉折位置,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,“在該位置以內的空間,跑得慢的菌群占有優勢,一旦超出這個位置,跑得快的菌群則以快取勝。” 隨后,團隊繼續將“細菌大戰”的實驗擴展到三個菌群,結果形成了兩大分水嶺,由慢到快運動速度不同的菌群,從內而外各自占據了優勢空間。經過5組進化菌群和合成生物學改造菌群的反復競爭實驗證明,這一現象具有普遍性。

劉陳立總結說,在整個遷徙過程中,每個種群都有著自己的“擴張策略”,根據想占領的空間面積及位置,調控各自的遷徙和生長速度,最終構成各占一隅的穩定格局。

找到遷徙進化的規律后,研究團隊根據模型計算和實驗驗證推導出一個簡單定量公式,包含生存面積、運動速度、生長速度這三大關鍵因素。根據該公式,在已知空間大小的條件下,便能算出遷徙進化的最優策略。

從生態學角度而言,這個定量原理認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動速度。這為解釋同一生態環境條件下物種多樣性的產生提供了啟示。而此前的生態學理論大多認為所處生態環境的不同是導致物種多樣性產生的原因。

從合成生物學角度而言,如果說合成生物學是像拼“樂高”一樣組裝生物結構,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計理論。

“萬有引力、熱力學定律……物理世界已有許多規律可循。而我們認為,生物世界同樣存在定量規律,理解了定量規律后,才可以真正實現生物的工程化,最終達到造物致知,造物致用。”劉陳立表示。

作為基礎研究領域的重大突破,此次從細菌上學習到的生物遷徙進化規律,能夠從理論上指導多細胞生物或生態體系的構建。未來,在該理論的指導下,調控細胞運動、生長速度,定量計算細胞在空間中的分布位置,有望實現生物組織和器官的工程化合成。