细菌大迁徙：达尔文那一套又不管用了
kuaidi.ping-jia.net 作者：佚名 更新日期：2024-07-02
本聪明但不自以为是,有趣但不哗众取宠的深空小编又双__来给大家发资讯了！今天天气不错，正适合读读最新资讯放松一下。不让大家久等了，下面马上进入正题吧。
很多人把达尔文的“物竞天择，适者生存”奉为圭臬，但也有人并不相信生物进化论以及后来的社会达尔文主义那一套。至少，它并不能完全解释这个世界的运行。
刘陈立团队照片 由左至右：李登进，刘陈立，刘为荣。
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。
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关于人类的起源和恐龙灭绝
答：我只只道恐龙可能是 恐龙的灭绝最近有了新提法 美国一古生物学家提出，可能是被自己的屁熏死的（非无厘头）他的理论是，由于大量蕨类植物的繁殖，草食恐龙数量激增，但此类食物在肠道内不能很充分吸收，被细菌分解后产生大量的氨气，破坏了大气及臭氧层，导致光合作用不充分——植被破坏——草食恐龙...
求一系列纪录片的名字
答：《日本细菌战》、《地下四千年》、《龙江行》、《先生鲁迅》、《中原大发现》、《抗日同盟军》、《刘海粟》、《青 *** 惑》、《太空英雄》、《大唐...《大迁徙 角马群里的间谍》、《虎丛林中窥探》、《天启——第二次世界大战》 、《自然界大事件》、《恐龙的战争》、《地球创世纪》、《达尔文的勇敢新...
为什么全球的人类的进化模样差不多呢?
答：兽类大量出现,从中分化出了一支灵长类,从灵长类中又进化出了猿类。第三纪是哺乳动物繁盛时期。第四纪...英国学者达尔文(C•Darwin,1809—1882)在《物种起源》、《人类的起源及性的选择》中提出了进化论的...(人类的大迁徙现象是极为频繁的),所以即使形成了亚种,在这种因素下也不会出现物种隔离.如果人类分化...
恐龙为什么会灭迹
答：俄罗斯之所以这样的寒冷，地球之所以有一年四季的交替，以及北极与南极这样的寒冷，都是月亮惹的祸，俄罗斯的科学家已经证明是月球的引力导致地球的偏移，从而使阳光不能均匀的照耀大地，从而导致地球上的气候环境有如此大的差异。 天文学家在研究月球起源时，有三种猜想，一：月球是地球的姐妹，...
人类非洲起源说被推翻了么
答：”(流波就《源》一书的出版答记者问)在灵长类起源方面,非洲起源论是绝对处于下风了。但西方学者有...好生存的地方转移,非洲大陆的现在人类不正是这个时期从更大更古老的古陆亚洲迁徙而来这样的逻辑推理更...为了得到支持遗传分析的证据,科学家开始把目光瞄向与人类相伴而生的生物:细菌、病毒甚至虱子,他们希望...
改变历史的50种植物
答：1823年,一个叫麦金托什的工人不小心把橡胶溶液沾到衣服上,意外发现能够防水。于是,人类历史上第一件能...导致人类大迁徙的甘蔗 新航路开辟后不久,西班牙、葡萄牙等国开始在加勒比海地区种植甘蔗。并从非洲运...经过研究发现,海洋是生命的摇篮,海洋中最早出现的植物是蓝藻和细菌,它们也是地球早期出现的生物。它们在...
恐龙是怎样灭绝的
答：当地球发生了如冰河时期那样的情况，海水减少，陆地与陆地间再也没有海水的阻隔，形成陆桥，而生物们便会趁此时进行大迁移，促成生物交流与接触。而根据达尔文“适者生存、不适者淘汰”的理论，强者便会欺侮弱者，到最后弱者便会灭绝。除此之外，还有细菌、病毒、寄生虫等交流传染的问题。温血动物说 有...
细菌大迁徙:达尔文那一套又不管用了
答：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...
人是由什么进化而来的?
答：想真正认识人类的起源还得去非洲，非洲有可能是和大猩猩、黑猩猩有着密切亲缘关系的类人猿生活过的地方……由于它们是目前最接近于人类祖先的动物，所以我们的远古祖先生活在非洲的可能性要大于其他各洲。19世纪，在英国诞生了一位伟大的博物学家，发现了一套轰动全世界的生物进化理论，他的名字叫达尔文。
请问下,为什么我们地球上的人类是从猿进化而来,但是又为什么会分成那么...
答：在晚期智人阶段,现代人开始分化和形成,并分布到世界各地.于人类的起源和发展是个非常复杂的问题,虽然经过达尔文等及其以后100多年来的努力挖掘和研究,至今仍存在不同的意见和疑问。综合各家之说,试以本节作为全文的总结和结束。 1.人类是灵长类进化的最高阶段,于中新世末期,大约1000万—1400万年以前开始从猿类...
很多人把达尔文的“物竞天择，适者生存”奉为圭臬，但也有人并不相信生物进化论以及后来的社会达尔文主义那一套。至少，它并不能完全解释这个世界的运行。
刘陈立团队照片 由左至右：李登进，刘陈立，刘为荣。
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。
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答：想真正认识人类的起源还得去非洲，非洲有可能是和大猩猩、黑猩猩有着密切亲缘关系的类人猿生活过的地方……由于它们是目前最接近于人类祖先的动物，所以我们的远古祖先生活在非洲的可能性要大于其他各洲。19世纪，在英国诞生了一位伟大的博物学家，发现了一套轰动全世界的生物进化理论，他的名字叫达尔文。
答：在晚期智人阶段,现代人开始分化和形成,并分布到世界各地.于人类的起源和发展是个非常复杂的问题,虽然经过达尔文等及其以后100多年来的努力挖掘和研究,至今仍存在不同的意见和疑问。综合各家之说,试以本节作为全文的总结和结束。 1.人类是灵长类进化的最高阶段,于中新世末期,大约1000万—1400万年以前开始从猿类...
