定量生物学为生态探索 进化预测开辟了道路

分子生物学研究最深入的主题之一是细菌趋化性-细菌细胞对化学刺激的响应。尽管圣地亚哥大学UC的科学家认为他们以及整个科学界知道细菌细胞如何移动以及为什么移动的所有信息，但他们惊讶地意识到他们对细菌如何成群移动的了解很少。这项最新研究的新发现在2019年11月6日的《自然》杂志上以罕见的背对背文章发表。

在第一篇论文中，物理学和生物学杰出教授特伦斯·华(Terence Hwa)以及博士后研究员乔纳斯·克雷默(Jonas Cremer)和加州大学圣地亚哥分校的其他研究人员与大肠杆菌模型细菌共同研究，表明趋化性为细菌群体提供了一种机制，使他们能够进行高效到无人居住的周边地区进行有组织探索的模式。研究团队没有像通常认为的那样在当前环境中营养耗尽时开始探索，而是发现细菌在当前环境中快乐地生长时便开始了探索。

Hwa说：“实际上，环境越好，细菌就越积极地参与勘探活动，这让人回想起像Google这样的富裕公司，尽管其核心业务蓬勃发展，却更加积极地参与了多元化。”

使用高速显微镜，研究人员能够追踪成千上万个细菌的运动，这些细菌形成了所谓的趋化性“温带环”，这是一个易于观察的“波纹”，在细菌感染后会向外扩展。一滴细菌被引入营养丰富的栖息地(见图1A)。令他们惊讶的是，研究人员观察到，“群生环”不仅仅是通常认为的一小部分分散细菌。取而代之的是，细菌的环包括开拓者的探索者，它们在迁移时会复制，留下一串后代(见图1B，C)。

Hwa解释说：“与蚂蚁追踪不同，追踪细菌不会迁移，但会在环的后面在它们各自的位置复制，最终填充环所包围的整个空间。” “这些细菌似乎很聪明，以至于无法在给定的位置上长期维持指数增长。因此，在营养丰富的同时派遣了开拓者，以防止营养耗尽时种群被卡住。”

Hwa指出，虽然科学家们很清楚细菌会通​​过向更高浓度的某些分子(称为“化学引诱剂”)移动来导航，但长期以来人们一直认为这些分子“具有吸引力”，因为它们是良好的营养来源。但是，Hwa的研究小组表明强效化学引诱剂不是细菌的良好营养来源，当以低剂量配以良好营养素时，它们的作用最强。这使研究人员意识到，化学吸引剂更像是香气，而不是细菌的食物(见图1C)。

克雷默说：“我们展示了先驱细菌如何有效地将低水平的趋化因子塑造成梯度，以引导探索过程，确定方向并提高种群移动速度。”

研究小组通过将细菌的探索，沉降和复制的导航模式与生态学中通常假定的不涉及趋化性的非指导性“范围扩展”过程进行比较，从而完成了他们的工作(参见电影1)。Hwa和Cremer预测，随着种群的扩散更快，并在有控制的探索下获得更大的收益，Hwa和Cremer预测这一过程可能在自然界中得到广泛应用，远远超出了细菌界。

“不难想象，高等动物种群可能会使用与细菌类似的策略，从而改变环境并产生线索，从而引导该种群迅速向空旷地区扩张。”

更快但不一定更好

《自然》杂志上发表的第二篇论文借鉴了第一篇的经验教训。在本文中，Hwa和Cremer与位于中国深圳的中国科学院的科学家合作，研究了由趋化细菌进行的导航探索策略的进化基础。

通过一系列的实验室进化实验选择成功在不同大小的栖息地上定殖的大肠杆菌，研究人员研究了趋化细菌在距起始位置不同距离处的适应性优势(见图2A，B)。

“对于多种类型的细菌具有速度范围内，传统智慧所期望的第一个物种到达一个无人居住的栖息地，以在殖民栖息地，相对于其他决定性的优势细菌具有相似的生长行为，”华说。“但是我们的进化实验令人惊讶地表明，更快的应变并不一定是有利的。虽然更快的应变在较远的距离处具有优势，而较慢的应变在较小的距离处具有优势。”

这些研究结果，从第一篇论文的结果一起，允许团队发现人口的扩张速度和栖息地的大小之间的约束，人口能够成功殖民统治，它只是规模的不断增长的人口前能达到在几个复制时间内。

Hwa解释说，这一限制反映了扩张速度和成功定居新获得的栖息地所需的人口增长率之间的必要协调。

Hwa说：“如果扩张的速度快于生物体在新土地上复制的速度，那么即使他们先占领了土地，它们最终也会失去对土地的所有权。” “这或许是类似于为什么成吉思汗的军队可以在整个文明世界的半扫而无法统治征服的土地。”

研究人员对提出的约束条件进行了定量验证，他们在不同的生境中重复了进化实验，从而实现了速度和增长率的多种组合(见图2C)。据Hwa所说，定量预测进化实验的结果非常罕见，但是这些研究的成功可能为将来研究进化过程的更有效方法提供希望。

Hwa还建议他们发现的对勘探策略的限制可能适用于其他类型的勘探系统，包括可能增长的肿瘤甚至是业务扩展。