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一个公式“算”出生物迁徙进化规律!中国科学家做到了-国际在线

时间:2019-11-09 08:43:27 作者:admin 热度:99℃
徐梦圆china系列2019-11-08 21:23:14|来源:科技日报|编纂:张群 更多

  科技日报记者 刘传书

广东快乐十分  世间万物事实是造物主的杰作,仍是物竞天择的结果?一个受精卵分裂出的40万亿细胞是若何有序形成各个组织器官,并最终发育为完整人体的?统一片森林里的上百种生物是若何抢占保存空间,以构成复杂而不变的生态系统的?尽管进化论指出了生命的演化规律和发展标的目的,但多细胞生物的“按需制造”原理尚未知晓,“物竞天择”也难以解释统一情况下的物种多样性。

  现在,这一生命发展的素质规律,用一个公式就能“算”出来——中国科学院深圳先辈手艺研究院、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杂志以长文形式颁发了研究论文。

广东快乐十分  图为文章上线Nature的页面截图。图片由深圳先辈院提供

广东快乐十分  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,频频研究空间迁移与进化,最终得到一个揭示生物迁移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迪。

  小细菌制造大谜题:“抢地盘”不但靠“跑得快”

广东快乐十分  非洲动物大迁移是自然界一大奇不雅,每年数以百万的动物分为前中后“全军”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。

  将上述大排场搬进实验室,把动物替代成细菌放进培育皿,便成了刘陈立团队研究的对象——细菌迁移。“过去的研究遍及认为,在细菌迁移的竞争中,想要占领最大边境,扩张速度越快越好,不同细菌零丁跑的情况下也确实如斯;然而,不同细菌同时跑的时候,情况出人意料。”刘陈立说道。

  在探究细菌迁移的前期实验中,团队设计了4种培育情况,在每种情况中频频“演绎”细菌迁移过程,各重复50个轮回后发现:菌群的迁徙速度呈发散状变化,占领外围的菌群越“跑”越快,而占领中心的菌群则不竭放慢“脚步”。“这一现象出乎我们的意料,在均一情况下,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,“我们的实验申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‘邦畿’分布。”

  图为研究团队 由左至右:李登进(配合作者),刘陈立(通信作者),刘为荣(配合第一作者)。图片由深圳先辈院提供

广东快乐十分  菌群大战“表露”迁移规律定量公式“算”出最优策略

广东快乐十分  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统一起点同时“扩张”,结果显示,一个非常特别的分水岭出现了。

  细菌群体迁移进化实验 图片来自深圳先辈院

广东快乐十分  “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频频竞争实验证明,这一现象具有遍及性。

  刘陈立总结说,在整个迁移过程中,每个种群都有着本身的“扩张策略”,按照想占领的空间面积及位置,调控各自的迁移和生长速度,最终构成各占一隅的不变格局。

广东快乐十分  找到迁移进化的规律后,研究团队按照模子计算和实验验证推导出一个简单定量公式,包含保存面积、运动速度、生长速度这三大关键因素。按照该公式,在已知空间大小的前提下,便能算出迁移进化的最优策略。

  生物世界亦有规律可循“造物”工程获强大工具

广东快乐十分  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保存空间时,有着不同的生长速度和运动速度。这为解释统一生态情况前提下物种多样性的产生提供了启迪。而此前的生态学理论大多认为所处生态情况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,若是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。

广东快乐十分  “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移进化规律,能够从理论上指导多细胞生物或生态系统的构建。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。

  来源:科技日报 

( 徐梦圆china系列)编辑报道.
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