任何人口的规模要长期保持稳定，其出生率和死亡率必须平衡。如果出生率过高，可能会出现人口爆炸;如果过低，人口就会减少。例如，这种平衡存在于构成我们身体的大约1万亿个细胞中。

　　当我们成年后，我们的干细胞可能会分裂，以更新身体组织，但在分裂几次后，它们成为成熟的细胞，分裂几次然后死亡。只有当这种平衡被破坏时，我们才会注意到它——例如，当细胞开始不受控制地分裂并产生癌变时。

　　因此，分裂细胞和成熟细胞之间的平衡是任何多细胞生物存在的先决条件，但它是如何维持的呢?在最近发表在《细胞》杂志上的一项新研究中，魏茨曼科学研究所的研究人员利用单细胞生物来更好地了解多细胞生物是如何维持这种平衡并保护自己免受癌症侵害的。

　　细胞分化是一种生物学上的“特化训练”，在这个过程中，一个干细胞分裂成两个子细胞，其中一个细胞承担一个明确的角色，并获得完成该角色所需的特征。当细胞进行分化时，它们的新特性对它们所属的多细胞生物是有用的，但它们要付出沉重的个体代价:它们在这条特化途径上走得越远，它们复制的能力就越低，直到它们完全无法分裂。

　　分化细胞的这种缓慢分裂使它们容易受到以更快速度分裂和生长的细胞群的攻击，从而可以接管组织及其资源。例如，在某些类型的血癌中，骨髓中的干细胞经历了一种突变，这种突变减缓了它们的分化，使它们能够产生更多的子干细胞。这些突变细胞利用了分化过程中的天然弱点，在一个被称为突变接管的过程中克服了健康细胞的群体。

　　即使在我们身体的每一次细胞分裂中平均都会发生一次突变，但我们大多数人都能通过无数次细胞分裂而享受几十年的健康，而不会经历突变接管。这表明存在有效的机制来应对这种威胁，即使它们很难在复杂的生物体中识别出来。

　　魏茨曼大学分子细胞生物系乌里·阿隆教授研究组的科学家们决定对通常不分化的大肠杆菌进行工程改造，使它们经历人工分化过程，从而使研究人员能够研究细胞群体如何处理突变接管。

　　“大肠杆菌模型有许多明显的优势，”大卫·格拉斯博士解释说，他是阿隆实验室这项研究的负责人。“其中之一是代时间短，这使我们能够在实验室中研究数百代突变体的发育。”

　　为了制造出能够分化的大肠杆菌，研究人员从一种叫做水蓝藻的蓝藻中获得了灵感，这种蓝藻在环境缺乏氮的情况下，通过切断dna的某些片段来进行分化。虽然分化的细菌失去了分裂的能力，但它们获得了一个重要的生存优势:为自己和整个菌落提供氮的能力。

　　为了模拟大肠杆菌模型中的分化过程，科学家们在含有抗生素但缺乏必需氨基酸的环境中培养细菌。利用基因工程技术，他们在每个细菌中插入了几个抗抗生素基因的拷贝，以及几个产生缺失氨基酸的基因拷贝。

　　在人工分化过程开始之前，也就是说，当细菌处于与干细胞相当的状态时，抗生素抗性基因是活跃的，所以细菌能够在抗生素存在的情况下以很高的速度分裂和分化。

　　当分化过程通过切割抗生素抗性基因开始时，细菌逐渐失去了分裂和分化的能力，但它们获得了生存优势:DNA的切割逐渐激活了产生必需氨基酸的基因。

　　格拉斯解释说:“为了确定哪种分化速度最好，我们在11种大肠杆菌菌株之间进行了一场比赛，每一种菌株都以不同的速度切割DNA片段——也就是说，分化。”“我们混合了等量的细菌，在几天的时间里培养它们，然后检查哪些存活了下来。

　　“我们发现了一种非常强的选择，有利于以中等速度分化的细菌，并发现具有中等分化率的细菌菌株在其种群中保持了细胞类型的最佳平衡。在任何时候，只有一小部分细胞是‘纯干细胞’或‘完全分化细胞’，而大多数细胞处于分化过程的中间状态。”

　　这种最佳的、适度的分化率为人体的各种系统所共有，其中干细胞、处于不同分化阶段的祖细胞和偶尔死亡并被新细胞取代的分化细胞之间保持着数量平衡。

　　为了保持种群规模的稳定，即使环境条件发生变化，也要保持这种平衡。为了找出模型中的细菌是否在变化的条件下也能保持这种平衡，研究人员将它们培养在培养基中36种不同的抗生素和氨基酸浓度组合中。

　　格拉斯解释说:“我们发现，在每一种情况下——除了最极端的情况，比如完全没有抗生素——细胞的最佳分化率都保持在中等范围内，并且保持了平衡。”“这意味着，以我们开发的分化模型为特征的种群平衡在很大程度上不受环境变化和威胁的影响。”

　　但是，像多细胞生物系统那样，以最佳速率分化的细菌群是否也对突变接管免疫?

　　为了测试这些细菌抵御突变接管的能力，研究人员将它们培养了许多代，并检查在长期生长期间是否出现了随机突变，从而产生了完全不分化且分裂不受控制的细菌。换句话说，是突变细菌导致突变接管，还是它们在早期就被抑制了?

　　他们第一次进行实验时，研究人员失望地发现一半的情况下突变接管。格拉斯补充说:“我们发现，当一种基因变化打破了分化放缓和获得生存优势之间的联系时，不分化的突变体就可以接管。”

　　接下来，研究人员用一种新的细菌菌株重复了这个实验，这种菌株经过基因工程改造，对鉴定出的突变免疫。“我们设法培养了大约270代分化细菌，没有发生突变接管。不幸的是，10月7日对以色列的入侵使实验缩短了，细菌很可能更具弹性。

　　“我们发现，在一个系统中，分化的大肠杆菌细胞停止分裂，但获得生存优势，可以维持最佳的种群平衡，避免突变接管。许多疾病，如癌症和自身免疫性疾病，都是多细胞生物所特有的。当我们在单细胞生物中进行越来越多的多细胞系统特征的基因工程时，我们也可以发现弱点，并在人体组织中寻找它们。”

　　格拉斯补充说:“除了基础科学之外，这些新发现还可能对细菌在工业中的使用产生影响。”“基因工程细菌目前被用于大规模生产胰岛素、酶和其他人类使用的物质。在这些生产过程中，创造一个能够保持平衡、自我更新甚至防止突变接管的分化细菌种群可能非常有用。”