细菌大迁徙：达尔文那一套又不管用了

刘陈立团队照片 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）。

漫画由中国科学院深圳先进技术研究院供图

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。