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世间万物究竟是造物主的杰作,还是物竞天择的结果?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,但多细胞生物的“按需制造”原理尚未知晓,“物竞天择”也难以解释同一环境下的物种多样性。

如今,这一生命发展的本质规律,用一个公式就能“算”出来——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刘陈立研究员实验室,与加州大学圣地亚哥分校华泰立教授团队合作,11月7日在Nature杂志以长文形式发表了研究论文。

图为文章上线Nature的页面截图。图片由深圳先进院提供

研究经过5年时间的大量进化生物学、定量生物学和合成生物学研究,反复研究空间迁徙与进化,最终得到一个揭示生物迁徙进化策略的定量规律,为合成生物学、生态学、甚至是现代企业扩张提供了全新的理论指导和启示。

非洲动物大迁徙是自然界一大奇观,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40万新生命加入队伍。

将上述大场面搬进实验室,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——细菌迁徙。“过去的研究普遍认为,在细菌迁徙的竞争中,想要占领最大疆域,扩张速度越快越好,不同细菌单独跑的情况下也确实如此;然而,不同细菌同时跑的时候,情况出人意料。”刘陈立说道。

在探究细菌迁徙的前期实验中,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”。“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也有优势。”刘陈立表示,“我们的实验说明细菌在空间扩张过程中,不止采用加快运动速度这一种策略,还有其它因素决定着最终的‘版图’分布。”

图为研究团队 由左至右:李登进(共同作者),刘陈立(通讯作者),刘为荣(共同第一作者)。图片由深圳先进院提供

为找出菌群“攻城略地”的关键因素和共性规律,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”,结果显示,一个非常特别的分水岭出现了。

“两个菌群出发后,菌群数量的空间分布会出现一个转折位置,在这里双方势均力敌,”刘陈立的博士生也是本文的第一作者刘为荣介绍说,“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,团队继续将“细菌大战”的实验扩展到三个菌群,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。经过5组进化菌群和合成生物学改造菌群的反复竞争实验证明,这一现象具有普遍性。

刘陈立总结说,在整个迁徙过程中,每个种群都有着自己的“扩张策略”,根据想占领的空间面积及位置,调控各自的迁徙和生长速度,最终构成各占一隅的稳定格局。

找到迁徙进化的规律后,研究团队根据模型计算和实验验证推导出一个简单定量公式,包含生存面积、运动速度、生长速度这三大关键因素。根据该公式,在已知空间大小的条件下,便能算出迁徙进化的最优策略。

从生态学角度而言,这个定量原理认为不同物种在抢占各自的生存空间时,有着不同的生长速度和运动速度。这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。而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。

从合成生物学角度而言,如果说合成生物学是像拼“乐高”一样组装生物结构,那么本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。

“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。”刘陈立表示。

作为基础研究领域的重大突破,此次从细菌上学习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。