Гидродинамика может играть ключевую роль в эволюции кооперации

Социальная кооперация, при которой индивиды ставят общее благо выше личной выгоды, распространена повсеместно — от бактериальных плёнок до государств. Учёные давно задавались вопросом, как она могла эволюционировать, если принцип «выживания сильнейшего» часто благоприятствует «обманщикам», размножающимся за счёт других.

Физики из Университета Нотр-Дам с помощью компьютерного моделирования и аналитических расчётов исследовали, как механические свойства среды могут влиять на социальную эволюцию микробных популяций. Они определили необходимые свойства диффузии и потока, позволяющие микробам развивать стабильное социальное поведение.

Модель и проблема «обманщиков»

Модель включала бактерии, выделяющие два типа диффундирующих молекул: «общественное благо» (например, пищеварительный фермент) и отходы. «Обманщики» производят меньше или совсем не производят «общественного блага», но пользуются молекулами, созданными кооператорами.

В отсутствие потока жидкости «обманщики» в конечном итоге захватывали популяцию, ослабляли и убивали её. Кооперативные группы, по словам доцента Дервиса Кана Вурала, росли, «как опухоль», и умирали.

Ключевая роль потока и фрагментации

Когда в модель ввели поток жидкости, сдвиговые силы вызывали деформацию и периодическое фрагментирование микробных групп. Это ограничивало распространение «обманщиков».

«Фрагментация — ключ к стабильной кооперации. Если группы фрагментируются чаще, чем появляются мутанты, кооперация победит. Это похоже на создание нового леса до того, как распространится пожар», — пояснил Кан Вурал.

Это позволяет предположить, что эволюция от одноклеточных к многоклеточным организмам могла происходить в текучих жидкостях, таких как реки или ручьи, а не в крупных водоёмах вроде океанов и озёр.

Практическое применение

Понимание этих механизмов может помочь в разработке стратегий управления микробными экосистемами. В качестве доказательства концепции команда смогла, используя только паттерны потока, настроить социальную эволюцию так, чтобы бактерии кооперировались и сохранялись только в ограниченной области; в других местах их захватывали «обманщики».

«На очистных сооружениях, в промышленных биореакторах или в нашем кишечнике желательно, чтобы бактерии сотрудничали и гармонично сосуществовали. Было бы очень плохо, если один штамм взял верх за счёт других. В других случаях, например, с болезнетворными биоплёнками, мы хотели бы подавить кооперацию, поскольку она делает их сильнее», — отметил соавтор исследования, аспирант Гурдип Уппал.