カリフォルニア大学サンディエゴ校の合成生物学のパイオニアである Jeff Hasty は、遺伝子操作されたバクテリアの遺伝子回路を連携させる戦略の設計に 20 年のキャリアを費やしてきました。しかし、数年前、Hasty は、彼でさえ、小さな細菌 Escherichia coli を打ち負かすことができなかったことを認めなければなりませんでした。 .
Hasty は、有用で厳密に制御された新しい遺伝子形質を操作したり、それらを細胞内で機能させたりすることに問題はありませんでした。それは簡単な部分でした。彼が発見したより難しいのは、それらの特性を維持することです。細胞が目的のタンパク質を作るためにそのリソースの一部を転用する必要がある場合、それを合成しない細胞よりもわずかに適合性が低くなります.必然的に、細胞は導入された遺伝回路を不活性化する突然変異を獲得し、突然変異体は元の細胞をすぐに置き換えます。その結果、望ましい特性は多くの場合 36 時間以内に消失します。
「かどうかの問題ではありません。それはいつの問題です」と Hasty は言いました。
何年もの間、Hasty はミュータント E.大腸菌 彼の巧妙に設計されたシステムでさえ無効にします。しかし、昨年 9 月の 科学 、Hasty、彼の博士課程の学生である Michael Liao と彼らの同僚は、付随する解説がそれを呼んだように、一種の「微生物の仲間からの圧力」を通じて、最も突然変異を好む細菌でさえ阻止する戦略を設計しました。 UCSD チームは、E の 3 つの操作された株を使用しました。大腸菌 それは連携して機能しました。各菌株は、毒素、それ自体を保護するための対応する抗毒素、および他の菌株の 1 つに対する保護のための第 2 の抗毒素を生成しました。最初の菌株は 2 番目の菌株を殺すことができましたが、3 番目の菌株は殺すことができませんでした。 2 番目は 3 番目を殺すことができますが、最初はできません。 3 番目は 1 番目を殺すことができますが、2 番目は殺すことができません。
この拮抗作用のラウンド ロビンは、バクテリアの菌株を順次追加することによって、研究者が操作された E の数を維持できることを意味しました。大腸菌 役に立たない突然変異体が新参者の毒素によって確実に消し去られるようにしながら、高い。細胞の生態学的相互作用がシステムを安定させました。
他の科学者がすでにこの戦略に注目しているという事実にLiaoが偶然出くわしたとき、プロジェクトは完了に近づいていました。生態学と進化の研究者は、彼らの分野における主要な問題に対する 1 つの可能な答えとして、何十年もの間、この問題に取り組んできました。しかし、その科学的歴史はさておき、この戦略は、世界中の子供たちが遊び場での口論を解決するために使用するゲームとしてよく知られています.
このゲームはじゃんけんであり、「ゲーム理論と進化論における古典的なゲーム」であると、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の数学生物学者 Barry Sinervo は述べています。
ゲームのルールは簡単です。岩ははさみに勝ち、はさみは紙に勝ち、紙は岩に勝ちます。どのプレイヤーにもアドバンテージはなく、どのアイテムを選んでも勝つチャンスは同じです。 2 人でプレイするときは、常に明確な勝者がいます。しかし、より多くのプレーヤーを追加すると、ゲームはより複雑になり、さまざまな戦略の成功がしばしば周期的に増減します。
じゃんけんを研究している生物学者は、ゲームがどのように行われるかをスコアまたは数百の種でモデル化しました。彼らはまた、種がさまざまな景観で相互作用するとき、および種の移動性と競争力が異なるとき、それがどのように変化するかを調査しました。彼らが発見したことは、時間が経つにつれて、じゃんけんによって優勢の出入りを繰り返すことで、多くの種が同じ地域で共存できるようになる可能性があるということです.
科学者たちはまだ生きているシステムに対するゲームの真の重要性を決定していますが、彼らの発見は、進化論、生態学的ダイナミクス、バイオテクノロジー、および保護政策に関する私たちの理解に影響を与える可能性のある意味を持っています. 「これは普遍的なゲームであり、非常に巧妙です」と Sinervo 氏は言います。 「じゃんけんは生物学的宇宙全体をカバーしています。」
豊かさの方程式
チャールズ ダーウィンが 1859 年に自然淘汰の理論を発表したとき、彼と同時代の人々は、個人間の競争が進化の背後にある力を提供するという仮説を立てました。ダーウィンの最初の研究に続く 150 年以上の実験により、競争が実際に主要な進化の力であることが確認されました。 1 つだけ問題があります。
単純な競争だけが進化の原動力であるとすれば、数十億年後には競争力の高い種はほんの一握りしか残らないはずです。代わりに、この惑星には驚くほど多くの生命が生息しています。地球が生息する種の数を推定することはほとんど不可能です。最近の 1 つの試みでは約 20 億に固定されていましたが、以前の取り組みは 1,000 万未満から 1 兆までの範囲でした。アマゾンの低地の熱帯雨林だけでも、6,700 種以上の樹木と 7,300 種以上の種子植物が生息しています。これらの数は、付随する昆虫、哺乳類、菌類、微生物を考慮に入れていません。
スイス連邦工科大学チューリッヒ校の生態学者、ダニエル・メイナード氏は、「周りを見渡すと、1ヘクタールの森林に数千、さらには数百万の微生物が生息しています。 「そして、あなたが何をしても、彼らは皆生き残る。コミュニティを引き裂いて他のすべてを打ち負かすようなものではありません。」
生物多様性を説明する最初のブレークスルーの 1 つは、生態学ではなく数学からもたらされました。 1910 年、アメリカの生物物理学者で統計学者の Alfred Lotka は、特定の化学反応を記述する一連の方程式を開発しました。 1925 年までに、彼は同じ方程式を適用して、捕食者と被食者の個体数の周期的な増減を説明できることに気付きました。 1 年後、イタリアの数学者で物理学者の Vito Volterra が独自に同じ一連の方程式を開発しました。
彼らの研究は、捕食者の数が獲物の数にどのように依存するかを示しました。オーストラリアのクイーンズランド大学の生態学者であるマーガレット・メイフィールドは、その洞察は明白に思えるかもしれないが、生態学者に自然界の測定とモデル化を開始する方法を与えたので、ロトカとヴォルテラの方程式は当時画期的だった.
それでも、方程式は完全ではありませんでした。それらは有用ではあるが単純な仮定に基づいており、捕食者でも被食者でもなく、資源をめぐって競合する種間の関係を表すことができませんでした。
しかし、1975 年に数学者のロバート・メイとウォーレン・レナードが古典的なロトカ・ヴォルテラ方程式を生態学者が非推移的競争と呼ぶものに適応させたとき、それは変わり始めました。競争が推移的である場合、それは階層的です。A が B に勝ち、B が C に勝った場合、A も C に勝ち、A はあらゆるコンテストの勝者になります。 C は A を打ち負かすことができるため、自動詞的競争にはこの階層がありません。A は明確な勝者であり続ける代わりに、しばらくの間支配的になりますが、その後 C に道を譲り、次に B に道を譲り、再び A の台頭が続きます。
メイとレナードが作成したのは、事実上、生態学におけるじゃんけんを説明する数学でした。後の数学者は、これらの自動詞的関係がほぼ無限の数の種を含む可能性があることを示すために研究を拡張しました.
グラディエーターのデスマッチのように考えてください、とメイナードは言いました。腕利きのファイターとの一騎打ちでは「負ける」と言っていた。しかし、彼が 100 人の戦闘機のグループに属している場合、より強力な戦闘機と同盟を結ぶなど、他の防御オプションが利用できる可能性があると彼は言いました。その戦略は、彼が競合他社よりも長持ちし、トップに立つのに役立つかもしれません.
交配ゲーム
1970 年代と 80 年代に、科学者は実際の例を論文に記録し始めました。この論文は、サンゴ礁に生息する生物と一般的な酵母 Saccharomyces cerevisiae の株の間のじゃんけんの関係を示しています。 .しかし、最も有名な研究の 1 つは、Nature に掲載された、ありふれた側斑点のあるトカゲに関する Sinervo の研究でした。 1996年
一見すると、一般的な横斑のあるトカゲは、その控えめな名前に忠実です。小さく、茶色で、指の長さです。主な特徴は、背中の模様と喉の色の斑点です。しかし、トカゲの交尾システムは、はるかに珍しいものです。 1990 年、Sinervo はマーセド市のすぐ外にある、カリフォルニアの乾いたインナー コースト山脈の斜面にある、側斑のあるトカゲの生息地の中心部を旅しました。 Sinervo は 5 年間、オスのトカゲがメスの友達に右にスワイプするよう説得する方法と、ライバルを遠ざける方法を研究しました。
シネルボは、オスの交尾戦略が喉の色の斑点によって示されていることを知っていました。喉がオレンジ色のトカゲは非常に競争力があります。彼らはメスの大きなハーレムを個別に守り、侵入するオスのライバルを攻撃します。ブルースはお互いに協力して縄張りと仲間を守りますが、この戦略はオレンジに対してはある程度しか効果がありません。しかし、性的に成熟したメスの外見を模倣し、オレンジ色のオスのテリトリーに忍び込み、競争を恐れずに交尾する卑劣な黄色の影響を受けにくくなります。
Sinervo は、彼の研究サイトでは、それぞれの色が 1 年か 2 年の間支配的であり、その後、特定のライバルが支配していたことに気付きました。青がオレンジに取って代わられ、黄色が再び青に取って代わられました。場所によっては 1 つの色しかない場合もありますが、シネルボは 2 つの色だけが一緒に見えることはありませんでした。しかし、3 つの場合、個体群は優勢に振動しました。 Sinervo と同僚が後で観察結果を説明する方程式を書き始めたとき、彼らはすぐにそれらがじゃんけんの形を記述していることに気付きました。
このゲーム理論が進化を導くと思われる自然界の他の状況が明らかになりました。 The の 2020 年 2 月号 アメリカの博物学者 たとえば、Sinervo と彼の同僚は、288 種の齧歯類の間で特定の交配戦略が普及していること、および特定の種が多かれ少なかれ無差別、一夫多妻、または一夫一婦制である可能性が高い理由を説明しています。
それでも、自然界からの観察は、科学者に多くのことしか教えてくれません。どのような環境が種間のじゃんけんゲームを生み出すのか、そして新しい方程式が生物多様性の説明に役立つかどうかを理解するために、科学者は研究室に戻る必要がありました.
ローカル環境がゲームを変える
バクテリアE.大腸菌 平凡な結腸の住人として悪いラップを取得します。しかし、何年にもわたって、微生物学者は何百ものEを特定してきました.大腸菌 さまざまな性質を持つ菌株。あるファミリーは、コリシンと呼ばれる毒素だけでなく、細菌をそれから保護するタンパク質も産生する Col という名前の遺伝子群を持っています。一部の E.大腸菌 株はコリシンに敏感であり、他の株はそれらを耐性にする突然変異を進化させました.耐性株 (R として知られる) は、コリシンを生産するコストがないため、コリシン生産 (C) 株よりも速く成長します。感受性のある (S) 株は R 株に打ち勝つことができます。これは、保護変異が細胞の栄養素輸送能力も損なうためです。 R は C に勝ち、C は S に勝ち、S は R に勝つため、このシステムは完璧なじゃんけんのセットアップを作成します。
約 20 年前、スタンフォード大学の微生物学者は、3 つの異なる状況でバクテリアにじゃんけんをさせました。それらが限られた動きで一緒にグループ化された静的なペトリ皿。そして、より中程度の可動性を持つ「混合プレート」環境。 性質で 2002 年の論文で、Benjamin Kerr (現在はワシントン大学)、Brendan Bohannan (現在はオレゴン大学) と彼らの同僚は、フラスコと分散プレートの両方で、R 株がすぐに両方の S 株に勝ったことを発見しました。および C グループ。
しかし、静的なペトリ皿は別の話をしました。カーとボハナンがそこで成長している細菌コロニーの写真を分析したとき、彼らは、理論が予測したように、異なる株が接触した場所でじゃんけんのゲームが行われているのを見た.これらの結果は、じゃんけんの出現だけでなく、結果としての生物多様性の出現と維持においても、地域の環境が重要な役割を果たすことを示したと、シカゴ大学の理論生態学者であるステファノ・アレシナは説明しました。
大学院生としてこの論文を読んだ Allesina は、「衝撃的」であることに気付きました。彼はジャーナル クラブの研究を選び、仲間の学生に修辞的な質問を投げかけました。大腸菌 ?
そのディスカッションの質問が頭に残ったため、Allesina は、多数のプレイヤーのじゃんけんをシミュレートできる計算モデルの開発に集中することにしました。彼は、モデルに種を追加するとシステムの安定性が高まり、個々の個体群が絶滅する可能性が低くなることを発見しました。メイナードは彼の研究で同じ結論に達しました:生物多様性は、多数の生物が共存できるため、システムの安定性の単純な結果として、より多くの生物多様性を生み出します.
メイナード氏によると、この相互依存性が、非推移性を非常に一般的なものにしている理由の一部です。 「すべてにおいて優れていることはできません」と彼は言いました。 「それは遺伝的に存在することはできません。」それぞれの種にはアキレス腱があり、じゃんけん効果への道が開かれています。これにより、すべての種が脆弱になりますが、圧倒的な捕食からも解放されます.より多様なシステムは、より高いレベルの非推移性と安定性を備えています。
「非常に不安定な世界を、私たちが自然界で見ているものと調和させることは困難です」と Allesina は言いました。また、システムの多様性が増すにつれて、種が相互作用する方法が増え、共存と生物多様性の向上にもつながります。
オレゴン大学の Tristan Ursell は、Kerr と Bohannan の研究に触発されて、それをさらに一歩進めたいと考えました。彼らの研究は、生物の分布がじゃんけんの開発の鍵であることを示していましたが、彼らの実験の環境には、バクテリアの動きを妨げる物理的な障壁はありませんでした.自然界はそうではありません。微生物が植物の根に住んでいようと、腸のどこかに寄り添っていようと、その環境は障害物でいっぱいです。微生物学者ではなく生物物理学者である Ursell は、一連のコンピューター モデルを作成して、物理的な障害がじゃんけんのサイクルをどのように変化させるかを確認することにしました。
プロジェクトに入ると、Ursell は障害物がシミュレーションに小さな影響を与える可能性があると予想しました。 「場合によっては、安定性が完全にひっくり返るとは予想していませんでした」と彼は言いました。
単一の種を救うだけでは不十分な理由
たとえば、オープンスペースで2つの種を互いに戦わせると、通常、一方が他方に置き換わることになります。しかし、Ursell のコンピューター モデルの風景に障壁があれば、両方の種が共存できることがよくあります。一方、オープンスペースでじゃんけんゲームに閉じ込められた3つの種は、優位性を循環させて共存させることができました。彼らの世界にバリアを導入すると、多くの場合、ある種が他の種を排除することにつながりました。
Ursell と Nick Vallespir Lowery が共同で作成した論文は、Proceedings of the National Academies of Science によって 2018 年 12 月にオンラインで公開されました。 、実際のじゃんけんゲームの隠された複雑さを示す他の作品に参加しました。たとえば、ミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学のアーウィン・フレイとマリアンヌ・バウアーが率いる科学者チームは、土壌微生物の数学的モデルを作成しました。土壌微生物は、土壌自体の小さな開口部を通じて栄養分と水を取得します。隣人。実験室で土壌に生息する微生物を育てようとすると、最も速く繁殖できる種が勝ちます。しかし自然界では、1 グラムの土壌に 10,000 種類以上の微生物が含まれている可能性があります。
フレイとバウアーが発見した秘密は、バクテリアが変化する環境条件に適応するのにかかる時間です。この制約と、土壌の複雑な物理構造に組み込まれた接続性により、何千もの微生物が共存し続けることができます。
生態学と進化の間のこのフィードバックは非常に重要である、と Tulane 大学の応用数学者である Swati Patel 氏は述べています。 示した。種 A が絶滅し始めたら、種 B は種 A が回復できるように進化するかもしれない、と彼女は説明した。この考えは逆にも機能します。
「人間がさまざまな生態系に与える影響は、種を予想していなかった方法で進化させる可能性があります」とパテル氏は述べています。
長期的な生態系の安定と共存は、個体数が同じままであることを意味するものではありません。これらのモデルには変動が組み込まれている、とパテル氏は述べた。しかし、それらがどれだけ大きく変化し、どれだけ迅速に変化するかが鍵となります.
ニュージーランドのカンタベリー大学の生態学者であり、メイフィールドと頻繁に共同研究を行っているダニエル・ストーファーは、相互作用を弱めることで種間の変動が過度に極端になるのを防ぐことができると述べています。生態学者はこれを貯蔵効果と呼んでいます。 「種は常に最高である必要はありません。悪い年を乗り切ることができるのに十分なほど良い時期が必要です」とStouffer氏は言いました.
1 つの種の数が少なくなりすぎると、病気の発生や干ばつなどの偶発的な出来事によって絶滅する可能性があります。これらの絶滅は生態系に真空を開き、絶滅のカスケードまたは他の生物が回復するための空きスペースを作成できます。これらの波及効果は、絶滅の危機に瀕している生物を救うために働く保全生物学者にも手がかりを提供します。 Allesina によると、じゃんけんの理論的研究は、生態学者が個々の種だけでなく、生態系全体を救うことに集中する必要があるかもしれないことを示しています.
「じゃんけん[トリオ]の岩だけを保存したいと想像してみてください」と彼は言いました。紙やハサミは気にしないかもしれませんが、絶滅するとすぐに、「これらの相互作用のネットワークを通じて、あなたが想像もしなかった他の種に影響を与える可能性があります」.
じゃんけんがより大きな生態系でどのように機能するかを説明する理論的研究の進歩にもかかわらず、Stouffer は、生物学者が野生でこれらの非推移的なダイナミクスの例を比較的少数しか記録していないことを指摘します。モデルはそれらが存在するべきであることを示していますが、じゃんけんゲームが支配的である可能性が高い場所を特定することは、進化ゲーム理論家にとって依然として課題です.
メイナード氏は、科学者が自然そのものから手がかりを得ることが最善の方法かもしれないと述べています。彼は、種がどのように相互作用するかを推測し、それらの相互作用における創発的なパターンを特定できるようにする新しい統計的アプローチの開発を開始しました。しかし彼は、じゃんけんはより大きな生物多様性のパズルの 1 つのピースにすぎず、遺伝子の突然変異や進化によるものであろうと、気候の自然な変化によるものであろうと、絶え間ない変化がルールであることを覚えておくことが鍵になるだろうと述べています.
