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(fā)育為完整人體的？盡管進化論指出了生命的演化規(guī)律和發(fā)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(huán)境下的物種多樣性。

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

（來源：Nature）

研究團隊通過一個簡單的數(shù)學關系，總結了細菌通過平衡生長和運動的進化策略來實現(xiàn)空間上的分布多樣性規(guī)律，該成果對于構建穩(wěn)定的合成多細胞系統(tǒng)、解釋均質(zhì)環(huán)境下如何維持生物多樣性、或預測物種遷移定植的最優(yōu)策略等問題提供了理論指導。

更進一步，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。

將上述大場面搬進實驗室，把動物替換成細菌放進培養(yǎng)皿，便成了劉陳立團隊研究的對象——細菌遷徙?！边^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?！眲㈥惲⒄f道。

在探究細菌遷徙的前期實驗中，團隊設計了 4 種培養(yǎng)環(huán)境，在每種環(huán)境中反復”演繹”細菌遷徙過程，各重復 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(xiàn)象出乎我們的意料，在均一環(huán)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(nèi)的研究也都未注意到運動速度慢也有優(yōu)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?！?/p>

為找出菌群”攻城略地”的關鍵因素和共性規(guī)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，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，團隊繼續(xù)將”細菌大戰(zhàn)”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(nèi)而外各自占據(jù)了優(yōu)勢空間。經(jīng)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(xiàn)象具有普遍性。

圖 | 合成生物改造菌株驗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”擴張策略”，根據(jù)想占領的空間面積及位置，調(diào)控各自的遷徙和生長速度，最終構成各占一隅的穩(wěn)定格局。

找到遷徙進化的規(guī)律后，研究團隊根據(jù)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(jù)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(yōu)策略。

從生態(tài)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(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)學理論大多認為所處生態(tài)環(huán)境的不同是導致物種多樣性產(chǎn)生的原因。

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。

生物世界亦有規(guī)律可循

“萬有引力、熱力學定律……物理世界亦有許多規(guī)律可循。而研究人員認為，生物世界同樣存在定量規(guī)律，理解了定量規(guī)律后，才可以真正實現(xiàn)生物的工程化，最終達到造物致知，造物致用?！眲㈥惲⒈硎?。

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(guī)律，能夠從理論上指導多細胞生物或生態(tài)體系的構建。未來，在該理論的指導下，調(diào)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(xiàn)生物組織和器官的工程化合成。

中國科學院合成生物學重點實驗室趙國屏院士認為，生命科學研究正在開啟以系統(tǒng)化、定量化和工程化為特征的”多學科會聚”研究的新時代，正在逐漸從描述階段，經(jīng)過分析階段向建構性階段發(fā)展，最終達到對生命與生命過程”可預測、可調(diào)控和可創(chuàng)造”目標。在這個過程中，一個重要的科學問題是獲得對生物體系有序結構形成原理的定量認識。

“這是一個完全原始創(chuàng)新的工作。它所揭示的定量規(guī)律能夠為合成多細胞生物體系有序結構的設計與構建基礎理論指導，是合成生物學‘建物致知’研究理念的生動示范。同時，對于物種進化，特別是物種內(nèi)部微進化理論的發(fā)展，也具有不可取代的重要意義，也是實驗性進化研究的一次生動范例。”

（來源：Pixabay）

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

歐陽頎認為，在缺乏定量可控的實驗情況下，達爾文的進化論無法發(fā)展出能夠做出定量預測的理論，因而是不完整的。尤其是復雜時空變化的環(huán)境下，多物種的競爭與適應策略更是進化理論研究的難點。本文利用細菌的遷移和繁殖等基本生命參量，研究了不同細菌種群在限定營養(yǎng)的二維空間中，不同領地上定植能力最強的細菌種群的生長和擴張速率等適應力的演化規(guī)律。

與通常認為的”先到先得”策略不同，特定領地上定植能力最強的細菌不是跑得最快的（擴張速率最大的），而是不同的領地對應著一個最優(yōu)的擴張速率。更值得注意的，作者利用非線性動力學模型，推導了一個簡單的定量關系解釋了”先到不先得”的違反直覺的實驗結果。

更奇妙的是，這項研究對于經(jīng)濟學領域的研究也有啟發(fā)。

這種細菌種群對領地的競爭定植可被認為是一種空間上的博弈游戲，作為游戲玩家的細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雜生物過程背后存在著簡單定量關系。

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

上海紐約大學經(jīng)濟學副教授翁韡韡表示，面對當今復雜多變的市場環(huán)境，個體企業(yè)很難簡單快速地決定最優(yōu)的公司規(guī)模以及相應的擴張速度。細菌遷移擴張實驗的結果一定程度上也為”最優(yōu)公司規(guī)?！崩碚撎峁┝松飳W上的證據(jù)。就菌群的遷移速率呈發(fā)散狀變化這一結果而言，對應于公司決策層面，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，漸進式擴張，逐步明確適合自身的最優(yōu)規(guī)模和相應的擴張速度，策略差異越發(fā)顯著。區(qū)別于盲目的快速擴張，理性的逐步趨于各自最優(yōu)擴張規(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