細菌大遷徙：達爾文那一套又不管用了

很多人把達爾文的“物競天擇，適者生存”奉為圭臬，但也有人並不相信生物進化論以及後來的社會達爾文主義那一套。至少，它並不能完全解釋這個世界的運行。

比如，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，並最終發育為完整人體的？同一片森林裏的上百種生物，是如何搶佔生存空間，以構成複雜而穩定的生態系統的？儘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“按需製造”的原理，至今仍然是一個謎題，而同一環境下的物種多樣性，也難以被一句“物競天擇”解釋清楚。

如今，科學家又找到一個反例：微觀世界裏的細菌大遷徙。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研究員劉陳立所領導的科研團隊，與美國加州大學聖地亞哥分校教授華泰立的團隊合作，歷時5年發現，在細菌的遷徙過程中，並非“快”勝出“慢”淘汰，而是每種生物都對應着一個最優的擴張速度和策略，據此算出生物遷徙進化策略的定量公式，以其解釋生物多樣性併為未來的“造物”提供工具。

前不久，這一被認為“基礎研究領域重大突破”的成果，以長文形式在國際學術期刊《自然》雜誌發表。中國科學院院士、中國科學院合成生物學重點實驗室研究員趙國屏評價道：這一原創新工作所揭示的規律，對於物種進化，特別是物種內部微進化理論的發展，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範例。

“搶地盤”不光靠“跑得快”

非洲動物大遷徙是自然界的一大奇觀，每年數以百萬的動物分為前中後“三軍”向北進發：打頭陣的，是20多萬匹野斑馬，緊跟其後的，是百萬頭角馬，殿後的，是50萬隻瞪羚。在此期間，還有40萬個新生命加入隊伍。

將這樣的大場面“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——細菌大遷徙。

劉陳立告訴記者，根據傳統的研究結果，為了應對環境的變化，生物通過遷徙獲得營養或新的生存環境，在遷徙過程中走在最前面的生物，具有優先選擇權，可以選擇可口的食物，也可優先佔領某一片領土，似乎“越快越好”就是最優的生存策略。

相應地，在細菌遷徙的競爭中，想要佔領最大疆域，也是擴張速度“越快越好”，不同細菌“單獨奔跑”的情況下確實如此。

然而，不同細菌“同時奔跑”的時候，出人意料的事發生了。

在探究細菌遷徙的前期實驗中，劉陳立團隊設計了4種培養環境，在每種環境中反覆“演繹”細菌遷徙過程，各重複50個循環後，科研人員驚奇地發現：菌羣的遷移速率呈發散狀變化，佔領外圍的菌羣越“跑”越快，而佔領中心的菌羣，則不斷放慢“腳步”。

結果顯示，不僅“快菌”有優勢，“慢菌”也找到了自己的生存空間。

“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’，速度變慢則意味着被淘汰，此前領域內的研究也都未注意到‘運動速度慢’竟然也有其優勢。”劉陳立認為，這些現象説明，細菌在空間擴張過程中，不只是採用了“加快運動速度”這一種策略，還有其他因素決定着“最終版圖”的分佈。

中國科學院院士、北京大學定量生物學中心教授歐陽頎聽聞這一實驗結果十分欣喜，在他看來，這個工作在針對微觀生態進化的“時域”與“空域”定量與系統研究方面跨了一大步。

“在缺乏定量可控的實驗情況下，達爾文的進化論無法發展出能夠做出定量預測的理論，因而是不完整的。尤其是複雜時空變化的環境下，多物種的競爭與適應策略，更是進化理論研究的難點。”歐陽頎説。

如今的這一成果，很明顯有了突破。

歐陽頎説，這一成果利用細菌的遷移和繁殖等基本生命參量，研究了不同細菌種羣在不同領地上的定居、生長、繁殖後代能力，以及適應力的演化規律，“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，而是不同的領地對應着一個最優的擴張速率。”

菌羣大戰“暴露”遷徙規律

更為重要的是，劉陳立團隊並沒有停留在現象的表面，而是繼續往下走，走向理論解釋。

在他們看到“先到不先得”這一違反直覺和常理的實驗結果後，科研團隊利用非線性動力學模型，推導了一個簡單的定量關係：通過經典的“兩兩競爭”實驗和數學模型分析，發現一個種羣所佔空間大小和區域位置，與其競爭者的遷移速率有着明確的定量關係。

劉為榮是劉陳立的博士生，也是這一成果論文的第一作者。他告訴記者，為了找出菌羣“攻城略地”的關鍵因素和共性規律，科研團隊在後期設計了“兩兩競爭”實驗，讓運動速度不同的兩個菌羣，在同一起點“同時擴張”，結果，依然讓人意外。

一個非常特別的分水嶺出現了。

具體來看，兩個菌羣出發後，菌羣數量的空間分佈，漸漸地出現一個轉折位置，在這裏雙方“勢均力敵”。在該位置以內的空間，“跑得慢”的菌羣佔有優勢，一旦超出這個位置，“跑得快”的菌羣則以快取勝。

隨後，科研團隊將“細菌大戰”的實驗，擴展到3個菌羣，結果形成了兩大分水嶺，由慢到快運動速度不同的菌羣，從內而外各自佔據了優勢空間。

劉為榮告訴記者，在經過5組的進化菌羣和合成生物學改造菌羣的反覆競爭實驗，結果證明，這一現象具有普遍性。

她將這一情況記錄下來，團隊總結認為：在整個細菌遷徙的過程中，每個菌羣都有着自己的“擴張策略”，根據想佔領的空間面積及位置，調控各自的遷徙速度，最終構成“各佔一隅”的穩定格局。

找到遷徙進化的規律後，劉陳立團隊根據模型計算和實驗驗證推導出定量公式，包含生存面積、運動速度、生長速度這三大關鍵因素。根據這一公式，科學家便可以在已知空間大小的條件下，算出遷徙進化的最優策略。

“這個漂亮的工作，示範了複雜生物過程背後存在着簡單定量關係。”歐陽頎説：這種細菌種羣對領地的競爭，可被認為是一種空間上的“博弈遊戲”，作為遊戲玩家的細菌，將遷移速率作為一個策略，遷移速率穩定的平衡態，類似於博弈論中的納什均衡，也就是説從這個穩定策略中偏離的任何玩家，都不會得到任何利益。

“造物”技術獲強大工具

“這就為解釋同一生態環境條件下，物種多樣性的產生提供了啓示。”劉陳立説，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，如今這個定量規律，則揭示了不同物種，依據不同生長速度和運動速度，搶佔各自的生存空間的奧秘。

更為重要的是，這一規律給21世紀興起的“造物”技術——合成生物學帶來更多可能。

劉陳立告訴記者，“如果説合成生物學是像拼‘樂高’一樣，組裝生物結構，那麼此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。”

所謂合成生物學，就是採用工程化的設計理念，通過對生物體進行設計、改造和合成，創建人工生命體系。在科幻電影《侏羅紀公園》中，科學家利用天然琥珀中保留的恐龍血液，提取修復DNA分子結構等技術，培育出已經滅絕的恐龍——這種看起來頗為超前的生命科學理念，就是合成生物學的“電影版本”。

“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，理解了定量規律後，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。”劉陳立説。

在他看來，這一次從細菌上得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佈位置，有望實現生物組織和器官的工程化合成。

趙國屏同意這一説法，在他看來，傳統的細菌實驗性進化，通常只考慮時間信息，而這個工作，則專門考察種羣為什麼能夠在空間上競爭性定植，並解析這一定植過程中基因組的進化規律。

“這項研究表明，細菌不僅是開展定量生物學和合成生物學研究的極好材料，也是開展實驗性進化研究的極好材料。”趙國屏説，遺憾的是，國內從事這方面研究的實驗室不多。

究其原因，一方面是需要研究者有很深厚的遺傳學和進化科學的理論知識功底；另一方面，此類工作的成功，需要在大量和長期的重複性精確測定獲得的數據基礎上，才可能給出定量分析和理論模型預測。趙國屏希望以此為起點，能夠啓發我國從事生命科學基礎研究的研究者，尤其是年輕的研究人員，拓展研究視野，大膽創新思路。

他説，生命科學研究正在開啓以系統化、定量化和工程化為特徵的“多學科會聚”研究的新時代，正在逐漸從描述階段，經過分析階段向建構性階段發展，最終達到對生命與生命過程“可預測、可調控和可創造”目標。

“在這個過程中，一個重要的科學問題，就是獲得對生物體系有序結構形成原理的定量認識。”趙國屏説。如今這一成果做到了，但也僅僅是一個開始。