生命发展本质规律：一个公式就能算出来

xinxi1368

科技日报记者 刘传书

世间万物究竟是造物主的杰作，还是自然选择的结果？从受精卵分裂出来的40万亿个细胞是如何有序地形成各种组织器官，并最终发育成完整的人体的？同一片森林中数百种生物如何争夺生存空间，形成复杂稳定的生态系统？进化论虽然指出了生命的进化规律和发展方向，但多细胞生物“按需制造”的原理尚不清楚，“自然选择”也无法解释同一环境下的物种多样性。

如今，生命发展的这一本质规律可以用公式来“计算”——中科院深圳先进技术研究院、深圳合成生物创新研究院研究员刘晨丽实验室、华泰利实验室在加州大学圣地亚哥分校。教授们团队合作，于11月7日以长文形式在杂志上发表了研究论文。

图为文章上线页面截图。图片由深圳先进技术学院提供

经过五年的广泛的进化生物学、定量生物学和合成生物学研究，以及对空间迁移和进化的反复研究，我们终于获得了揭示生物迁移进化策略的定量规律，为合成生物学、生态学、甚至现代科学。企业扩张提供了新的理论指导和启示。

小细菌创造大难题：

“抢地盘”不仅仅靠“跑得快”

非洲动物大迁徙是大自然的奇观之一。每年，数以百万计的动物分成前、中、后“三军”，向北进发。走在最前面的是超过20万只野生斑马，紧随其后的是数百万只角马。他们身后是50万只瞪羚。在此期间，队伍中新增了40万生命。

把上述大场景搬进实验室，用细菌代替动物，放入培养皿中，刘晨丽团队就成了研究对象——细菌迁移。 “过去的研究普遍认为，在细菌迁移的竞争中，如果想占据最大的领地，扩张速度越快越好。当不同的细菌单独奔跑时是这样；但是当不同的细菌同时奔跑时” ，情况出乎刘晨利的意料。

在探索细菌迁移的初步实验中，团队设计了4个培养环境，并反复“推演”每个环境中的细菌迁移过程。每次重复50个循环后，他们发现细菌菌落的迁移率变化不一，占据了外围。中心的植物群“跑”得更快，而占据中心的植物群则不断减慢。 “这种现象出乎我们的意料。在统一的环境下，人们普遍认为‘先到先得’，速度越慢就意味着被淘汰。此前该领域的研究并没有注意到，移动速度慢也有优势。”刘晨利说，“我们的实验表明，细菌在空间扩张过程中不仅采取加速运动的策略，还有其他因素决定最终的‘领地’分布。”

图为研究团队从左至右为：李登金（共同作者）、刘陈利（通讯作者）、刘伟荣（共同第一作者）。图片由深圳先进技术学院提供

细菌之战“暴露”迁移模式

量化公式“计算”最优策略

为了找出细菌菌落“征服城市和领地”的关键因素和共同规律，团队后期设计了配对竞争实验，让两个运动速度不同的细菌菌落在同一起点“扩张”同时。结果显示出一个非常特殊的分水岭。出现了。

深圳高等研究院细菌种群迁移与进化实验图片

“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，两侧势均力敌。”刘晨利的博士生、本文的第一作者刘伟荣说。 “在这个位置内的空间里，运行缓慢的菌群占据优势，一旦超过这个位置，运行快速的菌群就获胜了。”随后，团队继续将“细菌战争”实验扩大到三个细菌群，产生了两条主要分界线。 ，运动速度由慢到快不同的细菌群从内到外占据了主导空间。对五组进化细菌群和合成生物学修饰细菌群的重复竞争实验证明，这种现象是普遍存在的。

刘晨利总结说，在整个迁徙过程中，每个种群都有自己的“扩张策略”。它根据自己想要占据的空间区域和位置来调节自身的迁徙和生长速度，最终形成每个种群都占据一角的稳定格局。

在找到迁徙演化规律后，研究团队基于模型计算和实验验证，得出了一个简单的定量公式，其中包括三个关键因素：生存面积、移动速度和生长速度。根据该公式，可以计算出在已知空间大小的情况下，迁移演化的最优策略。

生物世界也有规律可循

“创造”项目获得强大工具

从生态学的角度来看，这一定量原理认为，不同物种在占据自己的生存空间时，其生长和运动速度是不同的。这为解释同一生态环境下物种多样性的发生提供了启示。以往的生态理论大多认为生态环境的差异是物种多样性的原因。

从合成生物学的角度来看，如果说合成生物学是像搭建“乐高”一样组装生物结构，那么本研究得到的定量公式为“创造”项目提供了新的设计理论。

“万有引力、热力学定律……物理世界有很多规律可循。而我们相信生物世界也存在数量规律。只有了解数量规律，才能真正实现生物工程化” ，最终达到创造知识、运用创造的目的。”刘辰礼说道。

作为基础研究领域的重大突破，从细菌中学到的生物迁移的进化规律可以在理论上指导多细胞生物或生态系统的构建。未来，在这一理论的指导下，我们可以调控细胞的运动和生长速度，定量计算细胞在空间中的分布位置，有望实现生物组织器官的工程化合成。