Кооперативные бактерии научились «полицейским» мерам против обманщиков
Для поддержания сотрудничества в условиях жёсткой конкуренции между бактериями необходимо сдерживать «обманщиков» (cheaters).
Биологи из Индианского университета в Блумингтоне обнаружили, что по крайней мере у одного вида бактерий кооператоры могут эволюционировать, чтобы «полицейскими» методами подавлять обманщиков и не давать им доминировать.
«Даже такие простые организмы, как бактерии, могут эволюционировать, чтобы подавлять социальных обманщиков», — заявил Грегори Вельцер, который вместе с аспиранткой Полин Манэ сообщил об этом поведении в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Их лабораторные эксперименты показывают, что кооперативные бактерии в природе могут эволюционировать, чтобы препятствовать росту эгоистичных обманщиков.
Myxococcus xanthus — хищная бактерия, которая роем перемещается в почве, убивая и поедая других микробов, выделяя токсичные и пищеварительные соединения. Когда пища заканчивается, клетки агрегируют и обмениваются химическими сигналами, формируя кооперативные многоклеточные плодовые тела. Часть клеток создаёт структуру плодового тела, другие становятся выносливыми спорами, способными пережить голод.
В смешанных плодовых телах, содержащих штаммы «обманщика» и «кооператора», штамм-обманщик, использованный в эксперименте, не производит социальный сигнал, необходимый для образования спор, в отличие от кооперативного штамма. Это позволяет клеткам-обманщикам «воровать» социальный сигнал у кооператоров и превращать в споры большую долю своих клеток. Таким образом, штамм-обманщик проигрывает кооператору при раздельном развитии, но выигрывает в смешанных группах.
Ход эксперимента:
- Учёные смешали кооперативный и обманщический штаммы M. xanthus.
- Линии кооператоров (но не обманщика) позволили эволюционировать в условиях голода, где кооперативное построение плодовых тел критически важно для выживания.
- Эволюция проходила в течение 20 циклов развития плодовых тел.
- После каждого цикла развития вводился антибиотик в фазе роста. Клетки-обманщики были чувствительны к нему и погибали, а кооператоры были устойчивы и продолжали расти и эволюционировать.
- Один и тот же неэволюционирующий штамм-обманщик вновь добавлялся к эволюционирующим линиям кооператоров в начале каждого цикла развития и удалялся в его конце.
Результаты:
- Линии, произошедшие от кооперативного предка, развили новые взаимодействия с обманщиком, которые повысили их приспособленность (fitness). Это «полицейское» поведение было описано как «эгоистичное», поскольку подавление обманщиков напрямую приносило пользу самим эволюционировавшим популяциям.
- В смешанных группах из трёх игроков — эволюционировавших клеток, обманщика и предкового кооператора — предок производил гораздо больше спор, чем в смешанной группе только с обманщиком.
- Кооперативные линии эволюционировали поведение, особенно вредное для конкретного неэволюционирующего обманщика, а не общий антиконкурентный признак.
- Большинство эволюционировавших популяций сильно превосходили своего предка-кооператора только в присутствии обманщика, что указывает на специфический эволюционный ответ на его присутствие.
- В интригующем повороте судьбы некоторые из эволюционировавших линий сами стали обманщиками нового типа, способными социально эксплуатировать как предкового кооператора, так и исходного неэволюционирующего обманщика.
Это исследование ставит под сомнение недавние предложения использовать обманщиков для борьбы с инфекциями, вызываемыми кооперативными бактериями. Основная идея таких предложений — внедрить обманщиков, чтобы разрушить социальную сплочённость инфицирующей популяции. Однако, подобно тому как бактерии легко развивают устойчивость к антибиотикам, кооперативные бактерии, инфицирующие людей или животных, могут эволюционировать, чтобы победить обманщиков.