単細胞の状態にもかかわらず、微生物は驚くべき協力の偉業を成し遂げることができます。微生物は、抗生物質や他の毒物から身を守るために、互いにくっついてバイオフィルムを形成することを可能にするポリマーを分泌することができます。彼らは、コロニーが柔らかい表面に群がることを可能にする大量の潤滑剤を製造することができ、人間の宿主などの鉄の少ない環境で生きることを可能にする鉄捕捉分子を生成することさえできます.
この多様な行動レパートリーは、進化における主要な問題を提起します:自然選択の利己的な性質を考えると、協力者はどのように勝利できるのでしょうか? 「 古典的な問題は、どんな種類の協調的形質も、その形質を発現する個人に何らかのコストを課すということです」と、物理学者からハーバード大学の進化生物学者に転向し、微生物を研究しているマイケル・デサイは言いました。 「謎は、これがどのように進化するかです。」
協力とは、定義上、他の誰かに利益をもたらす行動です。たとえば、食べ物や保護を提供します。通常、提供者には代償が伴います。特に微生物のように急速に変異する生物では、協力者を打ち負かすために新しい不正行為のモードが定期的に発生します。
自然淘汰の最も単純なモデルによれば、協力者と詐欺師が完全に混ざり合った集団では、通常、後者が勝利します。しかし、微生物や他の生物を使った理論研究と実験の両方で、協力は特定の条件下で進化できることが示されています。関連する個人のグループが協力して詐欺師を打ち負かすことができるため、無数の生物 (微生物、昆虫、さらには人間) が協力のおかげで生き残っていることが説明されます。
ここ数カ月に発表された 2 つの研究では、協力者が繁栄するのに役立つ新しい力が特定されました。それは、人口の境界の拡大です。どちらの研究も酵母に焦点を当てていましたが、科学者たちは、この発見は人間を含む他の種にも当てはまるかもしれないと述べています。 「このメカニズムが一般的にどの程度一般的であるかは明らかではありませんが、広く普及している可能性は十分にあると思われます」と Desai 氏は述べています。
微生物の協力を可能にする特定の条件をよりよく理解することは、人間の健康に応用できる可能性があります。ヒトに感染する微生物の多くは、バイオフィルムとして知られる協調状態で活動しており、バイオフィルムの形成を防止する新しい戦略は、耐性を起こしやすい抗生物質に代わるものとなる可能性があります。この発見は、協力細胞の集まりから出現した多細胞生物の進化や、私たちの体の健康な協力細胞を攻撃するチーター細胞と見なすことができる癌にも光を当てる可能性があります.
新界
協力の進化に関する理論的研究の多くは、固定された場所に住んでいる、または一定のサイズを維持している静的集団に焦点を当ててきました.
科学者たちは、静的集団の空間配置が微生物の利他主義を助長する可能性があることを何年も前から知っていました。詐欺師は微生物の完全に混合されたグループで勝利しますが、協力する微生物の塊は脱走者の塊を超えて成長する可能性があります.同様に、グループも協力を促すことができます。協力の進化に関する 2 つの一般的で幾分重複する理論には、家族のメンバーに対する寛大さが自分の遺伝子の存続を助けるという血縁選択と、協力するグループがそうでないグループよりも成功するというグループ選択が含まれます。 「協同組合の利益は、人口全体で無差別に発生するのではなく、空間的に近くにある、または遺伝的に関連している個人に発生します」と Desai 氏は述べています。
しかし、ほとんどの種は静的な条件下では生きていません。彼らは、数と領土の絶え間ない変化を経験します。たとえば、地球温暖化と氷河期のような地質学的サイクルの両方が範囲のシフトを引き起こします。
研究の新たな波は、個体群の拡大が進化のダイナミクスに大きな影響を与える可能性があることを示唆しています。個体数が増えると、進化論では遺伝的浮動としてより正式に知られているチャンス効果が、自然淘汰よりも強力になる可能性があります。これにより、協力者などの不適格なグループが繁栄できるようになります。
2007 年の実験では、グラフィックの詳細における拡張の力が実証されました。現在カリフォルニア大学バークレー校の生物物理学者である Oskar Hallatschek と彼の共同研究者は、2 つの異なる色で蛍光標識された 2 つの完全に混合された微生物株をペトリ皿に落とすことから始めました。 2 つの菌株は同じ速度で成長するため、静的個体群モデルは、それらの濃度が長期間にわたって安定していると予測します。最初の 50:50 ミックスは 50:50 のままです。しかし、結果は劇的に異なっていました。微生物が分裂して皿に広がると、それらはすぐに色の明確なセクションを持つ細菌の風車に分離されました. 「これは非常に強力な効果であり、回避するのは非常に困難です」と Hallatschek 氏は述べています。
この発見は、数年前に理論シミュレーションで予測されていた遺伝子サーフィンと呼ばれる現象の顕著な例証でした。 (研究者の多くは物理学者であり、進化の理論をモデル化し、テストする可能性に一部惹かれています。) 大規模な静的集団では、新しい中立突然変異 (進化の適合性に影響を与えない突然変異) が集団内で固定される可能性は低いです。しかし、サーフィン モデルによると、増加する人口の最前線で発生する突然変異は、拡大する可能性が高く、拡大の波を「サーフィン」し、根付く可能性が高くなります。 2007 年の論文で、Hallatschek と共同研究者は、遺伝的浮動が遺伝子サーフィンと風車パターンの両方をどのように促進するかを説明しました。緑色のバクテリアは分裂してより多くの緑色のコロニーを作成し、緑色のくさびを広げます。 「拡大するコロニーの場合、場所がすべてです」と Hallatschek 氏は言います。 「あなたが非常に適合性の高いミュータントであっても、本当に成功するためにはこの最前線にいる必要があります。さもなければチャンスはありません。」
Hallatschek の実験は、「サーフィンは大規模な自然集団のニュートラルな遺伝的多様性を劇的に変化させることができる」という最初の直接的な証拠を提供した、とスイスのベルン大学の集団遺伝学者である Laurent Excoffier は述べた.
この調査結果は、静的な個体群と拡大している個体群との間の明確な対照だけでなく、適切な条件が与えられた場合、進化において偶然が果たすことができる重要な役割も浮き彫りにしています。 「これは、偶然の重要性を増幅することです」と、オックスフォード大学の進化生物学者であるケビン・フォスター氏は述べていますが、彼はこの研究には関与していません。 「これは、特定の形質、自然淘汰によって好まれない形質であっても、偶然に非常に高い頻度に達する可能性があることを意味します。」
Hallstschek の研究は、「自然淘汰と個体群の拡大の組み合わせ、およびそこに残る遺伝的特徴を理解する上で、多くの研究を本当に取り上げ、刺激しました」と Desai は述べています。 「私たちの論文は、その文献から派生したものです。私たちは人口増加の遺伝学について考えていましたが、それが協力に影響を与えることに気づきました。」
小さなチームワーク
フォスターと彼の共同研究者は、2010 年に微生物の詳細な計算モデルを使用して、拡大が協力を促進する追加の力を提供する可能性があることを最初に示唆しました。モデルはハラチェックの発見を確認し、さらに一歩進めて、範囲の拡大が協調行動に最適な条件を提供することを示唆しました。
この春、2 つのグループが実際の微生物でこの現象を実証し、利他主義の進化を可能にする特定の条件を明らかにしました。酵母の協力を研究するために、研究者は 2 つの菌株を使用しました。スクロースを微生物の好物であるグルコースに分解できる酵素を放出する協力者と、できない詐欺師です。協力者によって生産された食物のほぼすべてが環境に放出されます。つまり、協力者だけでなく詐欺師も報酬を得ることができます。
5 月に Current Biology に掲載された Desai の実験では、両方の酵母菌株を収容する液体の滴が空のペトリ皿に置かれました。微生物が分裂して空きスペースに拡大し始めると、人口の最前線には詐欺師と協力者がランダムに配置されました.これは創始者効果を生み出し、関連性の高いグループがフロンティアに住んでいました。 「早い段階で移住に成功した個体は、血縁関係のある多くの子孫を残すでしょう」と Desai 氏は述べています。
原則として、酵母の協力者の人口は、詐欺師だけで構成された人口よりも速く成長するため、協力者は新しい領域により急速に拡大する傾向があります. 「彼らはフロンティアを支配し、最終的にはフロンティアの人口全体が協力者になるでしょう」とデサイは言います。 「空間的な人口の拡大は、協力がうまく発展する可能性を劇的に向上させることができます。」
Desai の微生物は 2 次元にわたって拡大する可能性がありますが、島の直線的な鎖に沿って移動する鳥など、拡大の一部のケースは 1 次元です。 MIT の物理学者 Jeff Gore と彼の共同研究者は、1 次元の状況を分析し、液体で満たされた小さなウェルのプレートで詐欺師と協力者の微生物の混合物を成長させました。彼らは手作業で微生物を移動させ、液体の一部を毎日新しい井戸に移しました。協力者なしで生き残ることができるデサイの詐欺師微生物とは異なり、ゴアの詐欺師は、食料と生存のために協力者を必要とし、協力者の人口が増えるにつれて侵入しました.
研究者は、協力者が最前線に沿って拡大する速度と、脱走者が背後から侵入する速度を比較しました。協力者が成功するには、詐欺師が侵入するよりも速く拡大する必要があります。 4月に全米科学アカデミー議事録に掲載されたこの調査結果は、過酷な環境条件下では、協力者は拡散する可能性がありますが、詐欺師や混合人口は死亡することを示しています.ただし、協力者と脱走者の両方が空きスペースに侵入している場合、協力者は無害な環境で脱走者を追い越すことができますが、過酷な環境ではありません。 (研究者は、時間の経過とともに増加する各井戸の人口密度を測定することにより、移動速度を計算します。)「空間の拡大が協力を助長する方法は驚くべきものです。彼らは、詐欺師が侵入するよりも速く新しい領土に行くことができます」とゴアは言いました.
協力者は、分泌する酵素の一部が細胞壁に閉じ込められるため、労働の成果に優先的にアクセスできます。この優先的なアクセスは、細胞密度が低い場合に特に重要です。これらの条件では、細胞が食べるための糖分があまりないからです」と Gore 氏は述べています。 「したがって、協力者は、公共の利益が拡散する前に、その一部を食い尽くすことができます。」
フォスター氏は、空間的拡大が微生物の協力の発展にとって基本的である可能性が高いと述べた. 「それは非常に単純で、間違いなく普遍的であり、微生物に関する主要な発見の 1 つを説明しています」と彼は言いました。
微生物を超えて
もちろん、微生物は個体数が拡大する唯一の生物ではなく、唯一の協力種でもありません。原理的には、酵母で作用しているのと同じ要因が高等生物にも当てはまる可能性がありますが、科学者はどちらにしても明確な証拠はないと慎重に述べています.
「この種の効果が自然界にどの程度広がっているかは、まだわかりません」と Desai 氏は述べています。多くの種は、季節的に、または長期間にわたって、その領土を拡大します。たとえば、何万年も前のアフリカからの人間の移動は、協力の発展に有利に働きましたか?
「私は、範囲の拡大が人間集団の協力状態を変えたという人間集団の証拠を認識していませんが、これらの研究は両方とも、原則として協力行動に有利に働く可能性があることを示唆しています」と Gore 氏は述べています。
フォスターは、広い空間的拡張が協力にどのように貢献するかについて、より懐疑的です。 「間違いなく、はるかに大きな規模で起こる可能性がありますが、個体数の拡大が非微生物生物の協力を促進するかどうかはまだわかりません.一連の協力的な行動を示す生物の別のグループである社会性昆虫は、「物事を行う方法が異なります」と彼は言いました。 「昆虫のコロニーが成長するにつれて、それらは空間的拡大や遺伝的分離を受けません。」
しかし、微生物の協力を理解することは、他の理由で重要かもしれない、とニューヨークのメモリアル・スローン・ケタリングがんセンターの計算生物学者である Joao Xavier は述べた。たとえば、空間的拡大のダイナミクスは、固形腫瘍がどのように拡散または転移する能力を獲得するかを理解する上で重要な意味を持つ可能性があります。
ある意味で、がん細胞は私たちの協力的な体の中で詐欺師として機能します.しかし、最も成功しているがんも一緒に働きます。血管を腫瘍に動員する細胞は、「それ自体と隣人に利益をもたらす」と、バクテリアのコロニーを使って廃水を処理する方法を研究する化学エンジニアとしてキャリアをスタートさせた Xavier は述べた。 「それは潜在的に協力的な特性です。」 Xavier、Foster、および共同研究者は、微生物に適用されるのと同じダイナミクスが癌細胞にも適用されることをモデリング シミュレーションで既に示しています。
フォスター氏によると、彼のチームは現在、より複雑な微生物群集の研究を開始しています。ほとんどの実験室での研究は 1 つまたは 2 つの菌株に焦点を当てていますが、たとえば私たちの皮膚や腸には、数百、おそらく数千の種が潜んでいる可能性があり、科学者はそれらが人間の健康に重要な役割を果たしていることを発見しています。 「微生物は、その種のチーターミュータントに遭遇するだけでなく、他のあらゆる種類のバグに遭遇しています」とフォスターは述べています。 「腸や感染症などの微生物群集を操作または変更したい場合は、それらがどのように反応するかを理解するために、それらがどのように相互作用するかを理解する必要があります。」
空間拡張に関する研究が増えていることから、より暗い疑問も浮かび上がってきます。答えは状況によって異なります。資源が尽きると、人口全体が死にます。リソースが豊富なままで、これ以上拡大する余地がない場合、脱北者の緊張が勝利を収め始めます。 「個体群の拡大が止まると、そのメカニズムは完全に拡大に依存するため、協調的な表現型は消滅する可能性があります」と Desai 氏は述べています。
一方、人口が完全に安定することはめったにありません。現在ボストン大学の物理学者でゴアの共同研究者であるキリル・コロリョフは、「自然個体群では、範囲の拡大が頻繁に起こるため、協力が維持されるという考えがあります。 「たぶん、山火事のような大騒ぎがあり、その後、個体群はゆっくりと再増殖し、何度も繰り返されます。」
