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。