Нeсмoтря нa oднoклeтoчнoe стрoeниe, микрoбы спoсoбны удивитeльным oбрaзoм сoтрудничaть корешок с другoм. Oни мoгут выдeлять пoлимeры, пoзвoляющиe им слипaться вмeстe и фoрмирoвaть биoплёнки, чтoбы зaщититься oт aнтибиoтикoв и другoй oтрaвы. Oни мoгут изгoтaвливaть бoльшиe oбъёмы смaзки, пoзвoляющиe кoлoнии рaзрaстaться нa мягкиx пoвeрxнoстяx, и дaжe прoизвoдить мoлeкулы, oxoтящиeся зa жeлeзoм, чтoбы гнездиться в услoвияx нeдoстaткa жeлeзa, нaпримeр, нa чeлoвeкe.

Этo рaзнooбрaзиe пoвeдeния вызывaeт вoпрoс пo пoвoду эвoлюции: кaк жe сoтрудничeствo мoжeт прoцвeтaть в тaкoй эгoистичнoй срeдe, упрaвляeмoй eстeствeнным oтбoрoм?

«Клaссичeскaя проблема в томишко, что любая кооперация окажется затратной с точки зрения отдельных индивидов»,   – говорит Майкл Десай [Michael Desai], физик, переметнувшийся к биологам-эволюционистам из Гарвардского университета, изучающий микробов. «Загадка в томишко, как эта ситуация могла бы появиться в результате эволюции?».

В зависимости через внешних условий, микроб Myxococcus xanthus может принимать как конкурентную (серножелтый) форму, так и кооперативную (зелёный)

Кооперация   – по определению, поведение, идущее возьми пользу кому-то другому   – может заключаться, допустим, в предоставлении еды или защиты, и обычно к дающего она затратна. Особенно у таких быстро мутирующих организмов, как микробы, у которых точный появляются новые методы обмана, способные обставить кооператоров.

Дрожжи, способные в качестве кого обманывать, так и кооперироваться, позволили учёным изучать эволюцию кооперации у микробов

Согласно простейшей модели естественного отбора, в идеально смешанной популяции из кооператоров и обманщиков, побеждают обычно последние. Так теоретические выкладки и эксперименты с микробами и другими организмами показали, что кооперация может выработаться при определённых условиях. Группы связанных индивидов, работающие вместе, способны превзойти обманщиков, отчего и объясняет, что несметное количество организмов   – микробов, насекомых, и даже людей   – способно выживать вследствие кооперации.

Два опубликованных исследования обнаружили новую силу, способную помочь кооператорам жужжать: расширение границ популяции. Оба исследования работали с дрожжами, но учёные утверждают, аюшки? открытия, возможно, переносимы и на другие виды живых существ, включая   людей.

«Неизвестно, сколько распространён этот механизм, но кажется вполне возможным, что он довольно сильно распространён»,   – говорит   Десай.

Лучшее понимание условий, в которых зарождается микробная объединение, может помочь в исследованиях, связанных со здоровьем. Многие заражающие организмы людей микробы работают в кооперативном режиме, известном лещадь названием биоплёнка, и новые стратегии, предотвращающие формирование биоплёнок, могут стать альтернативами антибиотикам, к которым у микробов может вырабатываться сопротивляемость. Открытия равным образом могут пролить свет на эволюцию многоклеточных организмов, возникших из наборов совместно действующих клеток, а вдобавок на рак, который можно рассматривать, как набор клеток-обманщиков, атакующих здоровые и сотрудничающие клетки наших   тел.

Новая тыл

Большая часть теоретических работ по эволюции кооперации концентрируется на статичных популяциях, либо живущих нате одном месте, либо поддерживающих постоянный   объём.

При недостатке еды тысячи отдельных Myxococcus xanthus кооперируются и создают образование, производящее   споры

Учёным ранее давно известно, что пространственные соглашения статичной популяции могут подстёгивать микробов к альтруизму. Я признать себя виновным не могу в сильно разнородных группах микробов обманщики выигрывают, комки сотрудничающих микробов могут перерастать в размере комочки обманщиков. В две популярных и несколько пересекающихся теории эволюции кооперации входит выбор родственников, согласно которому обилие по отношению к членам семьи помогает выживать одному из генов, и выбор группы, согласно которому категория кооперирующих микробов достигает успеха чаще, чем отдельные микробы. «Преимуществами сотрудничества пользуются отнюдь не все подряд члены популяции, а лишь те, кто либо находится невдалеке, либо генетически схож»,   – говорит   Десаи.

Но большинство видов не живут в статичных условиях; они постоянно претерпевают изменения в количестве и меняют ареал обитания. Изменения, скажем, могут провоцировать глобальное потепление и геологические циклы, типа ледникового периода.

Недавний набор исследований говорит о том, что расширение популяции может серьёзно влиять получи динамику эволюции. В растущей популяции эффекты случайностей, более точно называемые в теории эволюции дрейфом генов, могут стать побольше влиятельными, чем естественный отбор. В результате может уменьшаться количество процветающих групп сотрудничающих микробов.

В некоторых случаях два штамма микробов (зелёный и красный) расширяются на новую территорию, подниматься, скорее всего, будет оказавшийся на границе штамм. В результате получается мозаика «вертушки», как на   фото

В эксперименте от 2007   года влияние экспансии было продемонстрировано визуально. Божье копьё Халачек [Oskar Hallatschek], работающий биофизиком в Калифорнийском университете в Беркли, начал с лекарство двух хорошенько перемешанных штаммов микробов, покрашенных при помощи флуоресцентных красок в плохо цвета. Поскольку оба штамма растут с одной скоростью, модель статической популяции предсказывает, подобно как их концентрация со временем не будет меняться; начальное соотношение 50:50 сохранится. Однако результаты оказались совершенно иными. Микробы, начав делиться и распространяться по чашке Петри, быстротечно отделились друг от друга и организовали рисунок-«вертушку» с разными секциями определённых цветов. «Это беспримерно сильный эффект, которого очень трудно избегать»,   – говорит Халачек.

Открытия стали потрясающей иллюстрацией такого явления, по образу генетический сёрфинг, теоретически предсказанный несколькими годами ранее. (Среди исследователей (нет физиков, которых привлекает, среди прочего, потенциал моделирования и проверки эволюционных теорий). В больших статичных популяциях вероятность фиксации новых нейтральных мутаций (малограмотный влияющих на пригодность к эволюции) крайне низка. Но согласно модели сёрфинга, вероятность распространения мутаций, случающихся для границе растущей популяции, гораздо выше   – они как бы осёдлывают волну экспансии   – и укрепляются, потому что такое? в том месте проходит воспроизводство небольшого числа клеток. В работе от 2007   лета Халачек с коллегами объяснили, как генетический дрейф может подпитывать и генетический скольжение и появление рисунка «вертушки». Зелёные бактерии делятся и создают больше зелёных колоний, из-следовать чего растёт зелёный клин. «В случае с расширяющейся колонией всё спор в расположении,   – говорит Халачек.   – Даже если вы идеально получившийся мутант, вам нужно присутствовать именно на этой границе, чтобы процветать, или у вас не хорошего понемножку шансов».

Эксперименты Халачика предоставили первое прямое доказательство того, что «сёрфинг может до конца менять разнообразие нейтральных генов в большой естественной популяции»,   – говорит Лорен Экскоффье, специалист ровно по генетике популяций из Бернского университета в Швейцарии, не связанный с исследованием.

Расследование не только показывает яркий контраст между статичной и распространяющейся популяциями, однако и важную роль, играемую в эволюции случайностью, произошедшей в подходящих условиях. «Всё мастерство в умножении важности случайности»,   – говорит Кевин Фостер, биолог-эволюционист из Оксфордского университета, невыгодный связанный с этой работой. «Это значит, что некоторые свойства, даже малограмотный предпочтительные для эволюции, могут стать очень часто встречающимися чисто случайно».

Создание Халчека «на самом деле вдохновила множество исследований понимания того, равно работает естественный отбор и расширение популяции, и какие они оставляют генетические жмых,   – говорит Десаи.   – Наша работа продолжает эту тему. Мы размышляли о генетике растущей популяции и осознали, что же она приводит к кооперации».

Маленькая командная работа

Фостер с коллегами предположили, почему экспансия может стать ещё одной силой, подталкивающей к кооперации, при помощи детального вычислительного моделирования микробов в 2010   году. Тип подтвердила открытия Халачека и продвинула их на шаг дальше, предполагая, будто расширение границ популяции рождает оптимальные условия для сотрудничества организмов.

В смешанной популяции сотрудничающих микробов (червленый) и микробов-обманщиков (зелёный) кооператоры в итоге побеждают

Недавно две группы учёных продемонстрировали нынешний эффект на реальных микробах, выделив особые условия, благодаря которым туман эволюционировать альтруизм. Для исследования кооперации в дрожжах, исследователи использовали два вида   – кооператоров, выделявших комплемент, расщеплявший сахарозу до любимой еды микробов, глюкозы, и обманщиков, не умевших сего делать. Почти вся производимая кооператорами пища выпускалась в окружающую среду, идеже ею могли лакомиться как кооператоры, так и обманщики.

В эксперименте Десая, опубликованном в журнале Current Biology, небольшую толику жидкости, содержавшей оба вида дрожжей, разместили на чашке Петри. Объединение мере деления и расширения микробов на незанятое пространство, границу популяции случайным образом занимали так обманщики, то кооператоры. Это привело к «эффекту основателя», с живущими на границе группами микробов, состоящих в близком родстве. «Кто решающий успевал мигрировать раньше других, у того и было больше отпрысков»,   – говорит   Десаи.

По образу правило, популяция сотрудничающих дрожжей росла быстрее популяции, состоящей из индивидуалистов-обманщиков, поскольку кооператоры обычно быстрее разрастались нате новой территории. «Они выигрывают на границе популяции, и в итоге вся периметр занята кооператорами,   – говорит Десаи.   – Пространственная экспансия популяции может кардинально выправить шансы на успешную эволюцию кооперации».

Микробы Десая могли расти в двух измерениях, да некоторые случаи экспансии одномерны   – к примеру, птицы, передвигающиеся по цепочке островов. Физик из MIT Джеф Гоур [Jeff Gore] с коллегами проанализировал мономерный случай, выращивая смесь кооперирующих и жульничающих микробов в тонких заполненных жидкостью трубках. Они вручную перемещали микробов, каждый божий день перенося некоторую часть жидкости в новую трубку. В отличие от микробов-обманщиков Десаи, способных выживать вне кооперации, обманщикам Гоура кооператоры нужны были для получения пищи и выживания, и они проникали в растущую популяцию кооператоров.

Джеф Гоур

Исследователи сравнили проворство экспансии кооператоров на границе со скоростью размножения обманщиков, бывших за спиной. Чтобы кооператорам сопутствовал успех, им нужно было расширяться быстрее, нежели их атаковали обманщики. В работе, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, показан, как будто в суровых условиях в смешанной популяции кооператоры распространяются, а обманщики   – вымирают. Однако, разве как кооператоры, так и обманщики, развиваются в пустом пространстве, кооператоры перегоняют обманщиков всего лишь в мягких, но не в суровых условиях. (Скорость миграции подсчитывается через измерение плотности популяции каждой из трубок, растущей со временем).

«Удивительно, по образу пространственная экспансия предпочитает кооперацию   – они захватывают новые территории быстрее, нежели обманщики могут захватывать их»,   – говорит   Гоур.

У кооператоров есть преимущественный подступы к плодам их трудов, поскольку некоторые из выделяемых ими ферментов застревают в их собственных клеточных стенках. А сие важно при низкой плотности клеток, поскольку

«в таких условиях клеткам малограмотный хватает сахара,   – говорит Гоур.   – Так что кооператоры могут сожрать луч общего сахара до того, как он растворится».

Фостер говорит, а пространственное расширение   – возможно, необходимое условие для выработки кооперации у микробов.

«Оно бесконечно простое, скорее всего, универсальное, и объясняет одно из важнейших открытий, связанных с микробами»,   – говорит   спирт.

Кроме микробов

Конечно, микробы   – не единственные организмы, расширяющие популяцию или проявляющие кооперацию. В принципе тетуня же факторы, что играют роль для дрожжей, можно применять и к высшим организмам, зато хорошо учёные осторожно отмечают, что доказательств этого пока   нет.

«Остаётся разобраться, в какой мере такой эффект распространён в природе»,   – говорит   Десаи.

Многие виды расширяют близкие территории, либо по сезонам, либо в долгосрочной перспективе. Привела ли передвижение людей из Африки десятки тысяч лет назад к появлению предпочтений в пользу кооперации?

Расширение людей

Расширяющаяся популяция несёт характерный генетический признак, и такой признак был найден у людей. Же проблема в том, что этот признак похож на тот, что остаётся в результате естественного отбора. Человечество могли мигрировать из Африки «без всякой видимой причины, может очевидно потому, что это было возможно, но необязательно из-за какого-ведь давления со стороны селекции»,   – говорит Лорен Экскофье, генетик-популяционист из Бернского университета. Сии открытия говорят о том, что только из-за увеличения частоты мутации не мочь делать вывод, что это происходит под влиянием естественного отбора. «В одном наборе экспериментов пытаются отработать методы разделения этих чисто нейтральных эффектов случая и реального отбора»,   – говорит Житель Асгарда Халачек.

Экскофье с коллегами пытались изучить эффекты увеличения области обитания людей, анализируя схемы миграции популяции франкоговорящих канадцев в XIX и XX веках. По причине подробным генеалогическим записям исследователи могли определить, кто и когда менял помещение жительства. Согласно результатам, опубликованным в 2011   году в журнале Science, у женщин получай границе области проживания было на 15% больше детей, чем у других.

«Люди, находившиеся возьми гребне волны распространения, оставляли в популяции больше генов, чем те, кто такой находился в её середине»,   – говорит Экскофье. «Поэтому люди и бактерии в чём-ведь схожи   – индивиды на границе обитания больше влияют на генофонд будущих поколений».

Деловой дневник показали, что приграничные женщины выходили замуж на год раньше, который позволяло им иметь больше детей. И хотя непонятны точные причины сего, Экскофье считает, что ранние браки возникают из-за меньшей конкуренции получи и распишись границе.

«Это были фермеры, у них было больше ресурсов, чем у тех, кто именно остался в центре популяции, где все хорошие места уже были заняты»,   – говорит некто, так что мужчинам было легче обеспечивать   жён.

«Мне неизвестны доказательства того, с целью расширение области обитания влияло на кооперативный стиль работы человеческих популяций, хотя оба этих исследования указывают, что в принципе оно может работать держи пользу кооперативного поведения»,   – говорит   Гоур.

Фостер более скептически относится к тому, в качестве кого сильно расширение влияет на кооперацию.

«Оно могло произойти и в более крупных масштабах, да я не уверен, что расширение популяции как-то пропагандирует кооперацию у немикробных организмов»,   – говорит дьявол. Социальные насекомые, ещё одна группа организмов, демонстрирующих целый набор примеров кооперативного поведения, «делают всё совершенно объединение-другому,   – говорит он.   – С ростом колонии они не демонстрируют пространственной экспансии или генетической сегрегации».

Постигание микробной кооперации может стать важным по другим причинам, говорит Джоа Ксавье [Joao Xavier], вычислительный биолог в Центре изучения очелье им. Слоана-Кеттеринга в Нью-Йорке. К примеру, динамика пространственной экспансии могла бы объяснить, как бы плотные опухоли приобретают способность распространяться при помощи метастаз.

В каком-в таком случае смысле, раковые клетки действуют как обманщики в работающем в кооперации теле. Так самые успешные раковые опухоли тоже работают сообща. Клетки, привлекающие сосуды в папиллома, «действуют на пользу себя и их соседей»,   – говорит Ксавье, в начале карьеры давний инженером-химиком, изучавшим то, как колонии бактерий можно использовать для того очистки воды. «Это кооперативное свойство». Ксавье, Фостер и их коллеги сейчас показали в симуляциях, что динамику, присутствующую у микробов, можно применять и к раковым клеткам.

Фостер говорит, что-то его команда начинает изучать более сложные колонии микробов. Большинство лабораторных исследований ограничивается одним-двумя штаммами, же на нашей коже, или например в кишечнике, могут жить сотни, или хотя (бы) тысячи видов, играющих, как узнали учёные, центральную роль в здоровье человека.

«Микробы сталкиваются безлюдный (=малолюдный) только со своими собратьями-мошенниками, но и с целым набором других бактерий и вирусов,   – говорит Фостер.   – Делать что нам хочется манипулировать или изменять сообщество микробов в кишечнике или в месте инфицирования, нам нужно уразуметь, как они взаимодействуют, чтобы понять, как они будут реагировать».

Развивающийся набор научных работ по пространственной экспансии приводит и к более мрачным вопросам: по какой причине происходит, когда расти уже некуда? Ответ зависит от обстоятельств. Неравно заканчиваются ресурсы, вся популяция погибает. Если ресурсов хватает, а расширяться некуда, раз уж на то пошло начинают побеждать мошеннические штаммы.

«Когда популяция заканчивает расширяться, кооперативные фенотипы могут вымирать, поскольку их аппарат полностью зависит от экспансии»,   – говорит   Десаи.

С другой стороны, популяции исключительно стабилизируются полностью.

«В естественных популяциях кооперация поддерживается из-за частых случаев экспансии,   – говорит Киряха Королёв, физик из Бостонского университета, коллега Гоура.   – Возможно, периодически происходят старшие встряски, типа лесных пожаров, после которых популяции медленно восстанавливаются».