分子生物學研究最深入的主題之一是細菌趨化性-細菌細胞對化學刺激的響應。盡管圣地亞哥大學UC的科學家認為他們以及整個科學界知道細菌細胞如何移動以及為什么移動的所有信息，但他們驚訝地意識到他們對細菌如何成群移動的了解很少。這項最新研究的新發現在2019年11月6日的《自然》雜志上以罕見的背對背文章發表。

在第一篇論文中，物理學和生物學杰出教授特倫斯·華(Terence Hwa)以及博士后研究員喬納斯·克雷默(Jonas Cremer)和加州大學圣地亞哥分校的其他研究人員與大腸桿菌模型細菌共同研究，表明趨化性為細菌群體提供了一種機制，使他們能夠進行高效到無人居住的周邊地區進行有組織探索的模式。研究團隊沒有像通常認為的那樣在當前環境中營養耗盡時開始探索，而是發現細菌在當前環境中快樂地生長時便開始了探索。

Hwa說：“實際上，環境越好，細菌就越積極地參與勘探活動，這讓人回想起像Google這樣的富裕公司，盡管其核心業務蓬勃發展，卻更加積極地參與了多元化。”

使用高速顯微鏡，研究人員能夠追蹤成千上萬個細菌的運動，這些細菌形成了所謂的趨化性“溫帶環”，這是一個易于觀察的“波紋”，在細菌感染后會向外擴展。一滴細菌被引入營養豐富的棲息地(見圖1A)。令他們驚訝的是，研究人員觀察到，“群生環”不僅僅是通常認為的一小部分分散細菌。取而代之的是，細菌的環包括開拓者的探索者，它們在遷移時會復制，留下一串后代(見圖1B，C)。

Hwa解釋說：“與螞蟻追蹤不同，追蹤細菌不會遷移，但會在環的后面在它們各自的位置復制，最終填充環所包圍的整個空間。” “這些細菌似乎很聰明，以至于無法在給定的位置上長期維持指數增長。因此，在營養豐富的同時派遣了開拓者，以防止營養耗盡時種群被卡住。”

Hwa指出，雖然科學家們很清楚細菌會通??過向更高濃度的某些分子(稱為“化學引誘劑”)移動來導航，但長期以來人們一直認為這些分子“具有吸引力”，因為它們是良好的營養來源。但是，Hwa的研究小組表明強效化學引誘劑不是細菌的良好營養來源，當以低劑量配以良好營養素時，它們的作用最強。這使研究人員意識到，化學吸引劑更像是香氣，而不是細菌的食物(見圖1C)。

克雷默說：“我們展示了先驅細菌如何有效地將低水平的趨化因子塑造成梯度，以引導探索過程，確定方向并提高種群移動速度。”

研究小組通過將細菌的探索，沉降和復制的導航模式與生態學中通常假定的不涉及趨化性的非指導性“范圍擴展”過程進行比較，從而完成了他們的工作(參見電影1)。Hwa和Cremer預測，隨著種群的擴散更快，并在有控制的探索下獲得更大的收益，Hwa和Cremer預測這一過程可能在自然界中得到廣泛應用，遠遠超出了細菌界。

“不難想象，高等動物種群可能會使用與細菌類似的策略，從而改變環境并產生線索，從而引導該種群迅速向空曠地區擴張。”

更快但不一定更好

《自然》雜志上發表的第二篇論文借鑒了第一篇的經驗教訓。在本文中，Hwa和Cremer與位于中國深圳的中國科學院的科學家合作，研究了由趨化細菌進行的導航探索策略的進化基礎。

通過一系列的實驗室進化實驗選擇成功在不同大小的棲息地上定殖的大腸桿菌，研究人員研究了趨化細菌在距起始位置不同距離處的適應性優勢(見圖2A，B)。

“對于多種類型的細菌具有速度范圍內，傳統智慧所期望的第一個物種到達一個無人居住的棲息地，以在殖民棲息地，相對于其他決定性的優勢細菌具有相似的生長行為，”華說。“但是我們的進化實驗令人驚訝地表明，更快的應變并不一定是有利的。雖然更快的應變在較遠的距離處具有優勢，而較慢的應變在較小的距離處具有優勢。”

這些研究結果，從第一篇論文的結果一起，允許團隊發現人口的擴張速度和棲息地的大小之間的約束，人口能夠成功殖民統治，它只是規模的不斷增長的人口前能達到在幾個復制時間內。

Hwa解釋說，這一限制反映了擴張速度和成功定居新獲得的棲息地所需的人口增長率之間的必要協調。

Hwa說：“如果擴張的速度快于生物體在新土地上復制的速度，那么即使他們先占領了土地，它們最終也會失去對土地的所有權。” “這或許是類似于為什么成吉思汗的軍隊可以在整個文明世界的半掃而無法統治征服的土地。”

研究人員對提出的約束條件進行了定量驗證，他們在不同的生境中重復了進化實驗，從而實現了速度和增長率的多種組合(見圖2C)。據Hwa所說，定量預測進化實驗的結果非常罕見，但是這些研究的成功可能為將來研究進化過程的更有效方法提供希望。

Hwa還建議他們發現的對勘探策略的限制可能適用于其他類型的勘探系統，包括可能增長的腫瘤甚至是業務擴展。