正在阅读:细菌大迁徙:达尔文那一套又不管用了
首页> 生活频道> 今日关注 > 正文

细菌大迁徙:达尔文那一套又不管用了

来源:中国青年报2019-12-02 10:00

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  前沿·聚焦

  细菌大迁徙:达尔文那一套又不管用了

  ——21世纪“造物”技术有了理论工具

  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。

  “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。

  刘为荣是刘陈立的博士生,也是这一成果论文的第一作者。他告诉记者,为了找出菌群“攻城略地”的关键因素和共性规律,科研团队在后期设计了“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,依然让人意外。

  一个非常特别的分水岭出现了。

  具体来看,两个菌群出发后,菌群数量的空间分布,渐渐地出现一个转折位置,在这里双方“势均力敌”。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,科研团队将“细菌大战”的实验,扩展到3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。

  刘为荣告诉记者,在经过5组的进化菌群和合成生物学改造菌群的反复竞争实验,结果证明,这一现象具有普遍性。

  她将这一情况记录下来,团队总结认为:在整个细菌迁徙的过程中,每个菌群都有着自己的“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,刘陈立团队根据模型计算和实验验证推导出定量公式,包含生存面积、运动速度、生长速度这三大关键因素。根据这一公式,科学家便可以在已知空间大小的条件下,算出迁徙进化的最优策略。

  “这个漂亮的工作,示范了复杂生物过程背后存在着简单定量关系。”欧阳颀说:这种细菌种群对领地的竞争,可被认为是一种空间上的“博弈游戏”,作为游戏玩家的细菌,将迁移速率作为一个策略,迁移速率稳定的平衡态,类似于博弈论中的纳什均衡,也就是说从这个稳定策略中偏离的任何玩家,都不会得到任何利益。

  “造物”技术获强大工具

  “这就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。”刘陈立说,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,如今这个定量规律,则揭示了不同物种,依据不同生长速度和运动速度,抢占各自的生存空间的奥秘。

  更为重要的是,这一规律给21世纪兴起的“造物”技术——合成生物学带来更多可能。

  刘陈立告诉记者,“如果说合成生物学是像拼‘乐高’一样,组装生物结构,那么此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。”

  所谓合成生物学,就是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。在科幻电影《侏罗纪公园》中,科学家利用天然琥珀中保留的恐龙血液,提取修复DNA分子结构等技术,培育出已经灭绝的恐龙——这种看起来颇为超前的生命科学理念,就是合成生物学的“电影版本”。

  “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。”刘陈立说。

  在他看来,这一次从细菌上得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。

  赵国屏同意这一说法,在他看来,传统的细菌实验性进化,通常只考虑时间信息,而这个工作,则专门考察种群为什么能够在空间上竞争性定植,并解析这一定植过程中基因组的进化规律。

  “这项研究表明,细菌不仅是开展定量生物学和合成生物学研究的极好材料,也是开展实验性进化研究的极好材料。”赵国屏说,遗憾的是,国内从事这方面研究的实验室不多。

  究其原因,一方面是需要研究者有很深厚的遗传学和进化科学的理论知识功底;另一方面,此类工作的成功,需要在大量和长期的重复性精确测定获得的数据基础上,才可能给出定量分析和理论模型预测。赵国屏希望以此为起点,能够启发我国从事生命科学基础研究的研究者,尤其是年轻的研究人员,拓展研究视野,大胆创新思路。

  他说,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,正在逐渐从描述阶段,经过分析阶段向建构性阶段发展,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,就是获得对生物体系有序结构形成原理的定量认识。”赵国屏说。如今这一成果做到了,但也仅仅是一个开始。

  中国青年报·中国青年网记者 邱晨辉

[ 责编:丁玉冰 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 徽剧《惊魂记》精彩亮相第比利斯

  • 中日首位航天员东京对话

独家策划

推荐阅读
独云龙(左二)在敦格铁路当金山隧道内与施工人员交流(12月11日摄)。新华社记者 范培珅 摄  独云龙在敦格铁路当金山隧道内巡查(12月11日摄)。新华社记者 范培珅 摄  独云龙在敦格铁路当金山隧道内巡查(12月11日摄)。
2019-12-15 09:30
12月14日,在日本东京,中国首位航天员、中国载人航天工程副总设计师杨利伟(左)与日本首位航天员、日本科学未来馆馆长毛利卫在举行对话后握手。新华社记者 华义 摄  12月14日,在日本东京,中国首位航天员、中国载人航天工程副总设计师杨利伟(左)与日本首位航天员、日本科学未来馆馆长毛利卫在接受记者采访后握手。
2019-12-15 09:09
12月14日,在河北定州缂丝传习基地,工作人员(右)在给游客介绍缂丝作品。近年来,河北定州积极推介缂丝,促进缂丝产业发展。近年来,河北定州积极推介缂丝,促进缂丝产业发展。近年来,河北定州积极推介缂丝,促进缂丝产业发展。
2019-12-15 09:08
这是12月14日拍摄的事故现场。12月14日15时26分,四川芙蓉集团实业有限责任公司杉木树煤矿发生透水事故。截至20时40分,事故已经造成4人遇难,14人被困。新华社发
2019-12-15 08:52
12月14日,在格鲁吉亚首都第比利斯,演员演出徽剧《惊魂记》。中国徽剧《惊魂记》14日晚在格鲁吉亚首都第比利斯精彩亮相,为当地观众献上一台跨文化的戏曲盛宴。中国徽剧《惊魂记》14日晚在格鲁吉亚首都第比利斯精彩亮相,为当地观众献上一台跨文化的戏曲盛宴。
2019-12-15 08:50
新疆昭苏:雾凇景色美如画
2019-12-14 11:33
约翰逊就任英国首相发表演讲
2019-12-14 11:31
与祖国同行,看梦想花开——澳门回归20年成长印记
2019-12-14 11:29
合肥:校园科技节 感受科技魅力
2019-12-14 11:25
“5G双师课堂”促优质教育资源共享
2019-12-14 11:23
粤澳同辉——内地对澳输电逾500亿千瓦时
2019-12-14 11:22
吉林:冰天雪地享雪趣
2019-12-14 11:20
这是12月12日在利比亚首都的黎波里米提加国际机场拍摄的一架起飞的飞机。米提加国际机场因遭受数次炮击,于今年9月份关闭。12月12日,在利比亚首都的黎波里米提加国际机场,乘客等待搭乘飞机。
2019-12-13 13:21
当日,2019“锦绣潇湘”走进埃及湖南文化旅游推介会在埃及开罗中国文化中心举行。新华社记者 邬惠我 摄  12月12日,在埃及首都开罗,人们在湖南文化旅游推介会展板前留影。
2019-12-13 13:17
12月12日,在英国伦敦,工作人员将票箱运至阿克斯布里奇选区的一处计票厅。12日晚公布的出口民调显示,英国首相鲍里斯·约翰逊领导的保守党在当天举行的英国议会下院选举中得票率领先,并将取得议会下院绝对多数席位。
2019-12-13 13:16
12月12日,在南非约翰内斯堡,银联国际非洲分公司和南非标准银行员工与发行的银联卡模型合影留念。非洲最大商业银行南非标准银行(标行)12日首次面向本地持卡人发行银联卡,南非旅行者可在中国轻松使用标行银联卡,无须携带大量现金。
2019-12-13 13:14
12月12日,游客在《MOTSE in MICA:流动的永恒》“时空折叠”展区中参观。展览包括“刹那永恒”“时空折叠”“浮光掠影”“无限未来”4个展区,用艺术与科技结合创造出体感、可交互、浸没式等多种艺术形态,吸引许多参观者前来观赏拍照。
2019-12-13 13:13
浙江省绍兴市柯桥区的安昌古镇是一个具有千年历史的江南传统水乡古镇,素有“碧水贯街千万居,彩虹跨河十七桥”的美誉。 新华社记者 徐昱 摄  安昌古镇沿河民居挂满了各类腊味,呈现出浓浓的年味(12月11日摄)。
2019-12-13 13:12
为提升茶叶品质,台湾冻顶乌龙茶发源地——南投县鹿谷乡的茶区陆续向邻近乡镇海拔更高的茶场转移,目前大部分茶区海拔均在1000米以上。新华社记者 金立旺 摄  南投县一家茶厂工人在晒茶(12月11日摄)。
2019-12-13 11:35
近日,第五十四届工展会在香港维多利亚公园举办,这场一年一度的购物嘉年华,为市民带来多元化的产品、美食和精彩娱乐。近日,第五十四届工展会在香港维多利亚公园举办,这场一年一度的购物嘉年华,为市民带来多元化的产品、美食和精彩娱乐。
2019-12-13 11:34
加载更多