研究重新思考人口中变异性的进化重要性
人们一直认为,人口中的变异性是人口增长和生存的关键,但新的研究质疑这种假设。哈佛John A. Paulson工程与应用科学学院应用数学助理教授Ariel Amir和应用数学乔治运营商博士后研究员Jie Lin发现,在不变的环境中,变异实际上可以降低单身人口的增长- 细胞生物。
“几十年来,研究人员一直在寻找错误的指标,以了解固定环境中单细胞生物的人口增长率,”Amir说。“研究人员理所当然地认为,细胞分娩和分裂之间的时间差异是衡量人口增长率的关键,但我们发现人口内变异的进化压力比以前认为的要微不足道。”
这种洞察力对于表征群体的适应性很重要,这对于了解细菌如何对抗生素产生反应很有用。该研究发表在Cell Systems上。
单细胞生物的变异性的特征在于生成时间的差异- 从出生到分裂的时间 - 和细胞生物量生长速率的差异。20世纪50年代的精算研究发现,当环境不变时,生成时间的变化 - 从出生到分裂所需的时间 - 导致更大的人口增长率。然而,研究人员认为,世代时间是随机的,独立于母细胞。
但我们现在知道情况并非如此。在2014年和2015年,Amir和他的团队证明了细胞体积和细分时间在几代人之间是相关的,并量化了这些相关性。例如,如果母细胞生长的持续时间比平均长,那么子细胞必须生长一段比平均时间更短的时间来补偿。
“无论这些相关性有多小,它们都会深刻地改变变异如何改变人口增长的结果,”林说。
Lin和Amir发现单细胞生物量生长速率的变化 - 不是生成时间 - 影响种群规模。结果,低细胞生长速率变化导致种群增长的增加。
“进化上,如果你想优化你的人口增长率,你想要最小化你的细胞增长率变化,”阿米尔说。“我们发现,发电时间的波动并不重要。你可能会有不同的分歧。只要你的生物量总是以相同的速度增长,你的人口将继续以相同的速度增长。同样,机制的细节控制细胞大小并不重要 - 只要它存在 - 这是我们的分析和以前的工作之间的差异。“
这也可以通过实验看出。研究人员观察到,大肠杆菌的生长速率波动小于生成时间的波动 - 在某些情况下,生长速率变异率为6%,而生成时间的变异率为20%至30% - 人口增长率与理论预测一致。
“这表明在人口增长中必须考虑细胞大小控制,而先验可能看似无害的这些微妙相关实际上非常重要,”Amir说。
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