단일 세포 상태에도 불구하고, 미생물은 협력의 위업을 놀라게 할 수 있습니다. 그들은 항생제 및 기타 독을 방어하기 위해 함께 붙잡고 바이오 필름을 형성 할 수있는 중합체를 분비 할 수 있습니다. 그들은 식민지가 부드러운 표면 위로 떼어 낼 수있는 대량의 윤활제를 제조 할 수 있으며, 인간 숙주와 같은 철분이 많은 환경에서 살 수있는 철제 분자를 생산할 수도 있습니다.
.이 다양한 행동 레퍼토리는 진화에서 중요한 의문을 제기합니다. 자연 선택의 이기적인 본질을 감안할 때 협력자들은 어떻게 승리 할 수 있습니까? “ 고전적인 문제는 어떤 종류의 협력 적 특성이라도 특성을 표현하는 개인에게 어떤 종류의 비용을 부과한다는 것입니다.”라고 하버드 대학교의 물리학자인 마이클 데사이 (Michael Desai)는 미생물을 연구하는 진화론자 생물 학자를 돌렸다. “미스터리는 어떻게 진화 할 수 있습니까?”
협력은 정의상 다른 사람에게 혜택을주는 행동입니다 - 예를 들어 음식이나 보호를 제공합니다. 일반적으로주는 사람에게 비용이 듭니다. 특히 미생물과 같은 빠르게 돌연변이하는 유기체에서, 새로운 부정 행위 모드는 정기적으로 협력자들에게 발생합니다.
자연 선택의 가장 간단한 모델에 따르면, 완벽하게 혼합 된 협력자와 사기꾼 집단에서, 후자는 일반적으로 승리합니다. 그러나 미생물 및 기타 유기체에 대한 이론적 연구와 실험은 특정 조건 하에서 협력이 진화 할 수 있음을 보여 주었다. 함께 일하는 관련 개인의 그룹은 사기꾼을 능가 할 수 있으므로 협력 덕분에 살아남은 무수한 유기체 (미생물, 곤충 및 인간)를 설명합니다.
.최근 몇 달 동안 발표 된 두 가지 연구에 따르면 협력자들이 번성하는 데 도움이 될 수있는 새로운 힘이 밝혀졌습니다 :인구의 경계 확대. 두 연구 모두 효모에 초점을 맞추었지만 과학자들은 인간을 포함한 다른 종들에게는 그 발견이 사실 일 수 있다고 말합니다. Desai는“이 메커니즘이 얼마나 흔한지는 명확하지 않지만 널리 퍼져있는 것은 그럴듯 해 보인다”고 Desai는 말했다.
미생물에서 협력을 가능하게하는 특정 조건에 대한 이해는 인간 건강에 적용될 수 있습니다. 인간을 감염시키는 많은 미생물은 바이오 필름으로 알려진 협력 상태에서 작동하며, 바이오 필름 형성을 방지하기위한 새로운 전략은 저항성이 발생하기 쉬운 항생제에 대한 대안을 제공 할 수 있습니다. 이 발견은 또한 협력 세포의 수집에서 나온 다세포 유기체의 진화와 암에 대한 빛을 비출 수 있으며, 이는 우리 몸의 건강한 협력 세포를 공격하는 사기꾼 세포로 볼 수 있습니다.
.새로운 영토
협력의 진화에 관한 이론적 인 작업의 대부분은 고정 장소에 살거나 일정한 크기를 유지하는 정적 인구에 중점을 두었습니다.
과학자들은 정적 인구의 공간 배열이 미생물 이타주의를 장려 할 수 있다는 것을 몇 년 동안 알고 있습니다. 사기꾼이 철저하게 혼합 된 미생물 그룹에서 승리하지만 협력 미생물 덩어리는 탈북자 덩어리를 능가 할 수 있습니다. 그래서 그룹도 협력을 장려 할 수 있습니다. 협력의 진화에 대한 인기 있고 다소 겹치는 두 가지 이론에는 친족 선택이 포함됩니다. 이는 가족 구성원에 대한 관대함이 유전자의 생존에 도움을주고, 협력하는 그룹이 그렇지 않은 그룹보다 더 성공적인 그룹 선택을 지원합니다. Desai는“협력적인 혜택은 인구 전반에 무차별 적으로 발생하지 않고 공간적으로 근처 또는 유 전적으로 관련된 개인에게 발생하지 않는다”고 Desai는 말했다.
그러나 대부분의 종은 정적 조건 하에서 살지 않습니다. 그들은 수와 영토의 일정한 변화를 겪습니다. 예를 들어 빙하기와 같은 지구 온난화 및 지질주기는 범위 변화를 유발합니다.
새로운 연구의 물결은 인구 확장이 진화의 역학에 중대한 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다. 증가하는 인구에서, 유전 적 표류로 진화론에서보다 공식적으로 알려진 기회 효과는 자연 선택보다 더 강력해질 수 있습니다. 그것은 협력자와 같은 덜 적합한 그룹이 번성 할 수있게 해줄 수 있습니다.
2007 년 실험은 확장의 힘을 그래픽 세부적으로 보여 주었다. 버클리 캘리포니아 대학교의 생물 물리학자인 Oskar Hallatschek과 그의 공동 작업자들은 페트리 접시에 두 개의 다른 색상으로 형광으로 분류 된 두 개의 철저한 혼합 된 미생물 균주를 한 방울로 시작했습니다. 두 균주는 같은 속도로 자라기 때문에 정적 인구 모델은 그들의 농도가 시간이 지남에 따라 안정적으로 유지 될 것이라고 예측합니다. 초기 50:50 믹스는 50:50을 유지합니다. 그러나 결과는 크게 달랐습니다. 미생물이 나뉘어 접시로 팽창함에 따라, 그들은 잘 정의 된 색상이있는 박테리아 바람개비로 빠르게 분리되었습니다. Hallatschek은“정말 강력하고 피하기가 매우 어렵다”고 말했다.
이 발견은 이론적 시뮬레이션으로 몇 년 전에 예측 된 Gene Surfing이라는 현상의 눈에 띄는 삽화였다. (많은 연구자들은 진화론의 이론을 모델링하고 테스트 할 수있는 잠재력에 의해 부분적으로 그려진 물리학 자입니다.) 큰 정적 인구에서 새로운 중성 돌연변이 (진화 적 체력에 영향을 미치지 않는)는 인구에 고정되지 않을 것입니다. 그러나 서핑 모델에 따르면, 성장하는 인구의 국경에서 발생하는 돌연변이는 확장 될 가능성이 더 높습니다 (확장 파를 서핑”하고 소수의 개인만이 그곳에서 재생산되기 때문에 뿌리를 내립니다. Hallatschek과 공동 작업자들은 2007 년 논문에서 유전자 드리프트가 유전자 서핑과 바람개비 패턴을 모두 주도 할 수있는 방법을 설명했습니다. 녹색 박테리아는 더 많은 녹색 식민지를 나누고 더 많은 녹색 웨지를 만들어냅니다. Hallatschek은“넓은 식민지의 경우 위치에 관한 것입니다. "당신이 매우 적합한 돌연변이 체이더라도, 당신은 정말로 번성하기 위해서는이 프론티어에 있어야하거나 기회가 없습니다."
.Hallatschek의 실험은“서핑이 큰 자연 인구의 중립적 인 유전 적 가변성을 극적으로 변화시킬 수 있다는 첫 번째 직접적인 증거”를 제공했다.
이번 연구 결과는 정적 인구와 확산되는 사람들 사이의 뚜렷한 대비뿐만 아니라 올바른 조건을 고려할 때 기회가 진화에서 할 수있는 심오한 역할을 강조합니다. 옥스포드 대학의 진화 생물 학자 인 케빈 포스터 (Kevin Foster)는“이것은 우연의 중요성을 증폭시키는 것”이라고 말했다. "이것은 자연 선택에 의해 선호되지 않는 특정 특성, 심지어 특성이 우연히 매우 높은 빈도에 도달 할 수 있음을 의미합니다."
.Hallstschek의 작품은“자연 선택과 인구 확장의 조합과 떠나는 유전자 서명의 조합을 이해하는 데 많은 노력을 기울이고 촉발했습니다.”라고 Desai는 말했습니다. “우리 논문은 그 문학의 성장입니다. 우리는 인구 확장의 유전학에 대해 생각하고 협력에 영향을 미쳤다는 것을 깨달았습니다.”
작은 팀워크
Foster와 그의 협력자들은 2010 년에 확장이 세부적인 계산 모델을 사용하여 추가 힘 운전 협력을 제공 할 수 있다고 제안했습니다.이 모델은 Hallatschek의 발견을 확인하고 한 걸음 더 나아가서 범위 확장이 협력 행동에 대한 최적의 조건을 제공했음을 시사합니다.
.이번 봄, 두 그룹은이 현상이 실제 미생물에서 시연되어 이타주의가 진화 할 수있는 특정 조건을 강조했다. 효모에서의 협력을 연구하기 위해 연구자들은 두 가지 균주를 사용했습니다. 협력자들은 수 크로스를 미생물에서 가장 좋아하는 음식, 포도당 및 사기꾼으로 분해 할 수있는 효소를 방출 할 수 없었습니다. Cooperators가 생산 한 거의 모든 음식은 환경으로 방출됩니다. 즉, 사기꾼과 협력자가 보상을 얻을 수 있습니다.
.5 월의 현재 생물학에 발표 된 Desai의 실험에서, 두 효모 균주가 빈 페트리 접시에 두 효모 균주 한 방울이 퇴적되었다. 미생물이 비어 있지 않은 공간으로 나누고 확장되기 시작함에 따라 인구의 국경은 사기꾼과 협력자로 무작위로 채워졌습니다. 이것은 창립자 효과를 만들어 냈으며, 고도로 관련 그룹이 국경에 살고 있습니다. Desai는“초기에 이주 할 수있는 개인이 무엇이든 관계가있는 많은 자손이있을 것입니다.”라고 Desai는 말했습니다.
원칙적으로, 효모 협력자 집단은 사기꾼 만 구성된 인구보다 빠르게 성장할 것이므로 협력자들은 새로운 영토로 더 빠르게 확장되는 경향이 있습니다. Desai는“그들은 국경에서 인수하고 결국 전체 국경 인구는 협력자가 될 것입니다. "공간 인구 확장은 협력이 성공적으로 발전 할 가능성을 극적으로 향상시킬 수 있습니다."
Desai의 미생물은 2 차원에 걸쳐 확장 될 수 있지만, 일부 확장 사례는 섬의 선형 체인을 따라 움직이는 새와 같은 1 차원입니다. MIT 물리학 자 제프 고어 (Jeff Gore)와 그의 협력자들은 1 차원 상황을 분석하여 작은 액체로 채워진 우물 판에서 사기꾼과 협력자 미생물의 혼합을 키웠다. 그들은 미생물을 수동으로 마이그레이션하여 매일 액체의 일부를 새로운 우물로 옮겼습니다. 협력자없이 살아남을 수있는 Desai의 사기꾼 미생물과 달리 Gore의 사기꾼은 음식과 생존을위한 협력자가 필요했고 협력자 인구가 자라면서 침략했습니다.
연구원들은 결함이 뒤에서 침공 한 속도와 함께 최전선을 따라 협동 조합이 얼마나 빨리 확장했는지 비교했습니다. 협력자가 성공하려면 사기꾼이 침입 할 수있는 것보다 빠르게 확장해야합니다. 국립 과학 아카데미 (National Academy of Sciences)의 절차에서 4 월에 발표 된이 발견은 가혹한 환경 조건 하에서 협력자들이 퍼질 수 있지만 사기꾼이나 혼합 인구가 사망 할 수 있음을 보여줍니다. 그러나 협력자와 탈북자 모두 빈 공간을 침범 할 때, 협력자들은 양성이지만 거친 환경에서 탈북자를 능가 할 수 있습니다. (연구자들은 시간이 지남에 따라 성장하는 각 우물의 인구 밀도를 측정하여 마이그레이션 속도를 계산합니다.)“공간 확장이 협력을 선호하는 방식에 눈에 띄고 있습니다. 사기꾼이 침입 할 수있는 것보다 더 빨리 새로운 영역으로 갈 수 있습니다.”라고 Gore는 말했습니다.
협동 조합은 노동의 과일에 우선적으로 접근 할 수있다. 왜냐하면 그들이 분비하는 효소 중 일부는 세포벽에 갇히기 때문이다. 이 조건에서는 세포가 먹을 설탕이별로 없기 때문에 우선적 인 접근은 특히 세포 밀도에서 특히 중요합니다.”라고 Gore는 말했습니다. "그래서 협력자들은 확산되기 전에 공공재를 먹을 수 있습니다."
포스터는 공간 확장은 미생물의 협력 개발에 기본이 될 것이라고 말했다. "이것은 매우 간단하고 틀림없이 보편적이며 미생물에 대한 주요 결과 중 하나를 설명합니다."
미생물 너머
물론 미생물은 인구가 확장되는 유일한 유기체 또는 유일한 협동 종이 아닙니다. 원칙적으로, 효모에서 작용하는 동일한 요인도 더 높은 유기체에도 적용될 수 있지만 과학자들은 어떤 식 으로든 명확한 증거가 없다고 조심스럽게 생각합니다.
.Desai는“이런 종류의 효과가 얼마나 널리 퍼져 있는지는 여전히 남아 있습니다. 많은 종들이 계절 또는 오랜 기간 동안 영토를 확장합니다. 예를 들어, 수만 년 전 아프리카에서 인간 이주는 협력의 발전을 선호 했습니까?
Gore는“나는 인간 인구의 확장이 인간 인구의 협력 상태를 변화 시켰다는 증거를 알지 못하지만,이 두 연구는 원칙적으로 협력 적 행동을 선호 할 수 있다고 제안한다.
포스터는 공간 확장이 협력에 얼마나 기여하는지에 대해 더 회의적입니다. "이것은 훨씬 더 큰 규모로 일어날 수 있지만, 인구 확장이 비 미생물 유기체의 협력을 촉진한다고 확신하지 못한다"고 그는 말했다. 그는 협력적인 행동을 보여주는 또 다른 유기체 그룹 인 Social Insects는“일을하는 다른 방법을 가지고있다”고 말했다. "곤충 식민지가 자라면서 공간적 확장이나 유전 적 분리를받지 않습니다."
.그러나 뉴욕의 Memorial Sloan-Kettering Cancer Center의 계산 생물학자인 Joao Xavier는 미생물 협력을 이해하는 것이 중요 할 수 있다고 말했다. 예를 들어, 공간 확장의 역학은 고형 종양이 어떻게 퍼지거나 전이하는 능력을 얻는 지 이해하는 데 영향을 줄 수 있습니다.
어떤면에서 암 세포는 우리의 협력 신체에서 사기꾼 역할을합니다. 그러나 가장 성공적인 암도 함께 작동합니다. Xavier는 혈관을 종양으로 모집하는 세포는“스스로와 이웃에게 도움이 될 것”이라고 Xavier는 박테리아 식민지가 폐수를 처리하는 방법을 연구하는 방법을 연구하는 화학 엔지니어로 경력을 시작했습니다. "그것은 잠재적으로 협력적인 특성입니다." Xavier, Foster 및 Collaborators는 이미 모델링 시뮬레이션에서 미생물에 적용되는 동일한 역학이 암 세포에도 적용된다는 것을 보여주었습니다.
포스터는 그의 팀이 이제 더 복잡한 미생물 군집을 연구하기 시작했다고 말했다. 대부분의 실험실 연구는 하나 또는 두 개의 균주에 중점을 두지 만, 예를 들어, 우리의 피부 나 장은 과학자들이 인간 건강에 필수적인 역할을하는 수백, 수천 종의 종을 수용 할 수 있습니다. 포스터는“미생물은 종의 사기꾼 돌연변이 체를 충족시킬뿐만 아니라 다른 범위의 다른 버그를 충족시키고있다”고 말했다. "장이나 감염 또는 그 밖의 미생물 공동체를 조작하거나 변경하려면 그들이 어떻게 반응하는지 이해하기 위해 어떻게 상호 작용하는지 이해해야합니다."
.공간 확장에 대한 작업이 커지면 어두운 질문이 있습니다. 갈 곳이 없으면 어떻게됩니까? 대답은 상황에 따라 다릅니다. 자원이 부족하면 전체 인구가 사망합니다. 자원이 풍부하고 더 이상 확장 할 여지가 없으면 결함 변형이 승리를 시작합니다. Desai는“인구가 확장을 중단 할 때 이러한 협력 표현형은 사라질 수 있습니다. 메커니즘은 확장에 전적으로 의존하기 때문입니다.”라고 Desai는 말했습니다.
반면에, 인구는 완전히 안정화되지 않습니다. Boston University의 물리학 자이자 Gore 's Collaborator 인 Kirill Korolev는“자연 인구에서는 범위 확장이 자주 발생하기 때문에 협력이 유지된다는 생각입니다. "아마도 산불처럼 큰 방해가있을 수 있으며, 인구는 천천히 다시 채워집니다."
