南方网讯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？尽管进化论指出了生命的演化规律和发展方向，但多细胞生物的“按需制造”原理尚未知晓，“物竞天择”也难以解释同一环境下的物种多样性。
如今，这一生命发展的本质规律，用一个公式就能“算”出来——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，年11月7日在Nature杂志发表了研究论文。该研究经过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，反复研究空间迁徙与进化，最终得到一个揭示生物迁徙进化策略的定量规律，为合成生物学、生态学等提供了全新的理论指导和启示。
非洲动物大迁徙是自然界一大奇观，每年数以百万的动物分为前中后“三*”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，最后的是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——细菌迁徙。“过去的研究普遍认为，在细菌迁徙的竞争中，想要占领最大疆域，扩张速度越快越好，不同细菌单独跑的情况下也确实如此；然而，不同细菌同时跑的时候，情况出人意料。”刘陈立说道。
在探究细菌迁徙的前期实验中，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”。“这一现象出乎我们的意料，在均一环境下，一般认为是‘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。
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同一起点同时“扩张”，结果显示，一个非常特别的分水岭出现了。
“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、也是论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反复竞争实验证明，这一现象具有普遍性。
刘陈立总结说，在整个迁徙过程中，每个种群都有着自己的“扩张策略”，根据想占领的空间、面积及位置，调控各自的迁徙和生长速度，最终构成各占一隅的稳定格局。
找到迁徙进化的规律后，研究团队根据模型计算和实验验证推导出一个简单定量公式，包含生存面积、运动速度、生长速度这三大关键因素。根据该公式，在已知空间大小的条件下，便能算出迁徙进化的最优策略。
从合成生物学角度而言，如果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。
“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。
南方日报记者杜艳