ムクドリの密集した雲が沈み、舞い上がり、空を暗くする起伏のあるカーテンに集まります。何十万ものヌーがアフリカの平原を横切って、調整された、一見終わりのない渡りのループで一緒に雷鳴を上げています。ホタルは一斉に点滅します。竹林全体を一度に。科学者たちは何十年もの間、これらの魅惑的な同期の偉業を研究し、そのような協調と複雑さを可能にする要因を解明しようとしてきました.
それでも、集団行動に参加しない個体が常に存在します。奇妙な鳥、昆虫、または哺乳類は、残りの個体とは少し同期していません。武装要請を逃したと思われる浮遊細胞またはバクテリア。研究者は通常、それらを重要でない異常値として片付け、ほとんど注意を払いません。
しかし、一握りの科学者はそうではないと考え始めています。彼らの予感は、これらの個体は、より深い何か、より広範な進化戦略が働いている兆候であるということです。現在、その仮説を検証する新しい研究により、集団行動の研究について非常に異なる考え方が開かれています。
どこにでもいる一匹狼
初期の手がかりは、プリンストン大学の数学生物学者 Corina Tarnita と彼女の同僚が細胞性粘菌 Dictyostelium discoideum に注意を向けた後に明らかになりました。 .通常、それは孤独なアメーバの集まりとして生きており、各細胞は独自に食べて分裂しています。しかし、飢餓の脅威にさらされると、最大 100 万個の細胞が合体してキノコのような塔になります。それらの約 20% が茎を作り、残りが構造の上部に移動して胞子を形成できるように自分自身を犠牲にします。最終的には、水と風がこれらの胞子を新しい潜在的により栄養豊富な環境に分散させます.
科学者は粘菌を使って社会的行動の出現と維持を実験的に調査し、アメーバ間の協力を確実にするメカニズムを特定しました。しかし、彼らは常に集合細胞に焦点を当ててきました. Tarnita と彼女のチームは、後に残った細胞 (彼らが「孤独」と呼んだ細胞) も重要な役割を果たしているかどうかを調査したいと考えていました.
彼らが全米科学アカデミー議事録で報告したように 2015年、これらの孤独な人は完全に機能し、栄養素の存在下で定期的に食べたり分割したりしていることが判明しました.彼らの子孫は、飢えたときに正常に集合することができました - そして、彼らは常に彼ら自身の孤独な人を置き去りにしました.それらの存在は、粘菌の行動の一貫した側面であるように思われました.
これにより、一匹狼は、何十万もの細胞が関与する同期プロセスで取り残されるのは避けられないストラグラーにすぎない可能性が残りました。その場合、研究者は、非凝集細胞の数が実験ごとにランダムに変化すると予想しました.
しかし、個々のアメーバは不規則な形をしているため、数えるのが非常に困難だったので、Tarnita と彼女の同僚がこれをテストするには、さらに数年かかりました。大学院生の Fernando Rossine が彼女の研究室に加わり、細胞を正確に数え上げる方法を見つけた後です。 . 「それはゲームチェンジャーでした」とタルニタは言いました。
そして、それはすぐに驚きにつながりました.
別居することの戦略的価値
ショックの 1 つは、一匹狼が元の個体群の最大 30% を構成し、時には集合体の茎の細胞数を超えていたことです。
しかし、それだけではありませんでした。研究者は、一定の割合の細胞が各テストで取り残されると予測していました。これは、各セルが事実上、集団行動に参加するかどうかについて (重み付けされた) コインを個別に投げていることを意味していたでしょう。 「コイントスになるだろうと完全に思っていました」と Rossine 氏は言います。 「私たちは確信していました。」
科学者が 3 月に PLOS Biology で報告したように 、しかし、一定の割合の孤独な人ではなく、一定数の孤独な人を見つけました。プリンストン大学の生物物理学者で、この研究の共著者の 1 人である Thomas Gregor は、「細胞が記憶しているある種の設定点があります」と述べています。粘菌の菌株が異なれば、設定値も異なります。 Tarnita 氏は次のように述べています。人を集めるのが下手で、5 万人から 10 万人の孤独な人を置き去りにする人もいました。」
株間の自然な違いは、一匹狼の行動が自然淘汰が作用できる遺伝性の形質であることを意味します。さらなる実験とシミュレーションにより、この数は環境要因によっても影響を受けることが示されました。環境要因は、細胞の化学シグナルがどのように拡散および相互作用して凝集を促進または阻害するかに影響を与えます。
これは、細胞が飢え始めると、化学信号を隣人に送信するためです。十分な数のセルがアラームを鳴らすと、集約プロセスが開始されます。 Tarnita と彼女の同僚は、観察された孤独なパターンが、個々の細胞がさまざまな速度で活発に凝集する形に変化することによって説明できることを示す単純なモデルを構築しました。より多くの細胞が凝集するにつれて、それらの飢餓シグナルは低下しました。ある時点で、「『危険』を叫んでいた全員がすでに去っているため、『危険』を叫んでいる人の声が聞こえなくなった細胞が数個残ることになる」とタルニタ氏は述べた。それらの残りのセルは孤独です。
「しかし、完全に同調できないことを、進化によって実際に利用して、興味深い戦略に変えることができるとしたらどうでしょうか?」タルニタが尋ねた。進化はそのプロセスに潜在的に作用する可能性があるため、「それは実際には行動として本当に意味があるかもしれません.」
彼女と彼女の同僚は、これは一種の賭けのヘッジであると考えています。凝集した細胞体には、独自のリスクがあります。捕食者に食べられたり、粘菌の集団行動を利用して利己的な利益を得る「詐欺師」細胞に蹂躙されたりする可能性があります。また、栄養分が突然環境に戻った場合、アメーバは集合プロセスを元に戻してその食物にアクセスすることができません.
したがって、孤独な細胞は、これらの状況のいずれかが発生した場合に備えて、一種の保険として機能する可能性があります.グループから離れることで、「あなたはこれらの種を置き去りにします」とタルニタは言いました — 個体群とその多細胞ダイナミクスをすべて独自に再生できる種です.
社会的行動の維持
ベットヘッジは新しい概念ではありません。たとえば、ノイズの多い遺伝子発現は、遺伝的に同一の生物間で多様性を生み出す可能性があります。たとえば、少数の細菌が抗生物質に抵抗したり、クローン魚の特定の個体がより攻撃的になったりする可能性があります。しかし、これらの形式の賭けのヘッジは個人レベルで行われます。
Tarnita と彼女のチームは、彼らが観察した賭けのヘッジが集団レベルで発生しているのではないかと疑っています。 「各細胞は、孤立して孤独になるという決定を下していません」と彼女は言いました. 「実際には、ある意味で社会的な決定です。それは世界の残りの部分に依存する決定です」 — 周囲の細胞のおしゃべりと環境の物理的性質.
科学者は、粘菌がこの賭けヘッジ戦略からフィットネスの利点を得ることを決定的に証明する必要があります.しかし、ゲーム理論の以前の研究では、個人が集団活動から数ラウンド「オプトアウト」できる場合、集団内の協力と多様性を維持し、集団を寄生的な個人から保護するのに役立つことが示されています。 Tarnita の研究室で進行中のモデリング作業は、似たようなことを示唆しています。
「もしこれが起こっているのなら、それは本当に興味深い戦略です。特定の集合体を保存するのではなく、社会的行動自体を保存するためです」とタルニタは言いました.
さらに、「この非社会的部分にも社会的要素がある」という事実は、多細胞性と社会的協力への生物の進化的移行を明らかにするのに役立つ可能性があると、Rossine 氏は述べています。
研究者たちは、粘菌でこの戦略を可能にするために、分子レベルで何が起こっているのかを突き止めたいと考えています.しかし、彼らは他の星系で一匹狼を研究する可能性に最も興奮しています。 「グループの存在を安定させる何かとしての孤独な人という理論的な考えは、非常に強力なものです」とロシンは言いました。おそらくそれは、移動するヌーや花を咲かせるタケ、さらには人間にも適用される可能性があります (Tarnita の研究室の一部のメンバーが現在追求している方向性)。
科学者たちは、さらなる実験作業をせずに類推を広げすぎないように注意しているが、ドイツのマックス・プランク動物行動研究所の所長である Iain Couzin は、彼が研究した別のシステムとの直接的な類似点を指摘した。バッタは、粘菌のように、激しく変動する環境や食料の入手可能性の突然の変化に対処するために。イナゴはまた、困難な時期になると、単独の状態から集合的な群れに移行します。 Tarnita の研究は、「この種のプロセスが生物学的組織の他のスケールでどのように発生している可能性があるかを考えさせられました」と Couzin は述べています。
孤独な行動が進化的に重要であることが証明される可能性のある状況は他にもあります。 Couzinらは、たとえば、ある種の孤独な行動がグループ内のリーダーの出現につながる可能性があることを発見しました. 「これらの違いは事前に決まっていますか?」カズンは言った。それとも、「動物の周囲の物理的環境と生物環境の両方に依存する意思決定戦略」の産物ですか?
これらの質問に対する答えを見つけるのは難しいでしょう。しかし、それまでの間、この研究は、集団的および協力的な行動がどのように進化し、どのように機能し続けるかを真に理解するために、研究者は参加していないように見える不適合を研究する必要があることを示しています.
「私たちは物事がどのように同期するかを理解するために長い時間を費やしてきました」と Tarnita 氏は言います。 「何もしていないように見える単一の細胞、怠惰なアリ、何らかの理由で移動しないことを決定したヌー、または剥がれるイナゴに本当に興味を持った人はいません。私たちは本当に注意を払ったことはありません。」
訂正: 2020 年 5 月 21 日
Tarnita からの最後の引用には、彼女の意味を明確にするために括弧付きの単語が挿入されました。
この記事はに転載されました TheAtlantic.com .
