研究重新思考人口中變異性的進(jìn)化重要性
人們一直認(rèn)為,人口中的變異性是人口增長和生存的關(guān)鍵,但新的研究質(zhì)疑這種假設(shè)。哈佛John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)助理教授Ariel Amir和應(yīng)用數(shù)學(xué)喬治運(yùn)營商博士后研究員Jie Lin發(fā)現(xiàn),在不變的環(huán)境中,變異實(shí)際上可以降低單身人口的增長- 細(xì)胞生物。
“幾十年來,研究人員一直在尋找錯(cuò)誤的指標(biāo),以了解固定環(huán)境中單細(xì)胞生物的人口增長率,”Amir說。“研究人員理所當(dāng)然地認(rèn)為,細(xì)胞分娩和分裂之間的時(shí)間差異是衡量人口增長率的關(guān)鍵,但我們發(fā)現(xiàn)人口內(nèi)變異的進(jìn)化壓力比以前認(rèn)為的要微不足道。”
這種洞察力對(duì)于表征群體的適應(yīng)性很重要,這對(duì)于了解細(xì)菌如何對(duì)抗生素產(chǎn)生反應(yīng)很有用。該研究發(fā)表在Cell Systems上。
單細(xì)胞生物的變異性的特征在于生成時(shí)間的差異- 從出生到分裂的時(shí)間 - 和細(xì)胞生物量生長速率的差異。20世紀(jì)50年代的精算研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)環(huán)境不變時(shí),生成時(shí)間的變化 - 從出生到分裂所需的時(shí)間 - 導(dǎo)致更大的人口增長率。然而,研究人員認(rèn)為,世代時(shí)間是隨機(jī)的,獨(dú)立于母細(xì)胞。
但我們現(xiàn)在知道情況并非如此。在2014年和2015年,Amir和他的團(tuán)隊(duì)證明了細(xì)胞體積和細(xì)分時(shí)間在幾代人之間是相關(guān)的,并量化了這些相關(guān)性。例如,如果母細(xì)胞生長的持續(xù)時(shí)間比平均長,那么子細(xì)胞必須生長一段比平均時(shí)間更短的時(shí)間來補(bǔ)償。
“無論這些相關(guān)性有多小,它們都會(huì)深刻地改變變異如何改變?nèi)丝谠鲩L的結(jié)果,”林說。
Lin和Amir發(fā)現(xiàn)單細(xì)胞生物量生長速率的變化 - 不是生成時(shí)間 - 影響種群規(guī)模。結(jié)果,低細(xì)胞生長速率變化導(dǎo)致種群增長的增加。
“進(jìn)化上,如果你想優(yōu)化你的人口增長率,你想要最小化你的細(xì)胞增長率變化,”阿米爾說。“我們發(fā)現(xiàn),發(fā)電時(shí)間的波動(dòng)并不重要。你可能會(huì)有不同的分歧。只要你的生物量總是以相同的速度增長,你的人口將繼續(xù)以相同的速度增長。同樣,機(jī)制的細(xì)節(jié)控制細(xì)胞大小并不重要 - 只要它存在 - 這是我們的分析和以前的工作之間的差異。“
這也可以通過實(shí)驗(yàn)看出。研究人員觀察到,大腸桿菌的生長速率波動(dòng)小于生成時(shí)間的波動(dòng) - 在某些情況下,生長速率變異率為6%,而生成時(shí)間的變異率為20%至30% - 人口增長率與理論預(yù)測一致。
“這表明在人口增長中必須考慮細(xì)胞大小控制,而先驗(yàn)可能看似無害的這些微妙相關(guān)實(shí)際上非常重要,”Amir說。
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