В зависимости от внешних условий, микроб Myxococcus xanthus может принимать как конкурентную (жёлтый) форму, так и кооперативную (зелёный)
Несмотря на одноклеточное строение, микробы способны удивительным образом сотрудничать друг с другом. Они могут выделять полимеры, позволяющие им слипаться вместе и формировать биоплёнки, чтобы защититься от антибиотиков и другой отравы. Они могут изготавливать большие объёмы смазки, позволяющие колонии разрастаться на мягких поверхностях, и даже производить молекулы, охотящиеся за железом, чтобы жить в условиях недостатка железа, например, на человеке.
Это разнообразие поведения вызывает вопрос по поводу эволюции: как же сотрудничество может процветать в такой эгоистичной среде, управляемой естественным отбором? «Классическая проблема в том, 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 том, как эта ситуация могла бы появиться в результате эволюции?».
Кооперация – по определению, поведение, идущее на пользу кому-то другому – может заключаться, допустим, в предоставлении еды или защиты, и обычно для дающего она затратна. Особенно у таких быстро мутирующих организмов, как микробы, у которых регулярно появляются новые методы обмана, способные обставить кооператоров.
Дрожжи, способные как 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. Но теоретические выкладки и эксперименты с микробами и другими организмами показали, что кооперация может развиться при определённых условиях. Группы связанных индивидов, работающие вместе, способны превзойти обманщиков, что и объясняет, что несметное количество организмов – микробов, насекомых, и даже людей – способно выживать благодаря кооперации.
Два опубликованных исследования обнаружили новую силу, способную помочь кооператорам процветать: расширение границ популяции. Оба исследования работали с дрожжами, но учёные утверждают, что открытия, возможно, переносимы и на другие виды живых существ, включая людей. «Неизвестно, насколько распространён этот механизм, но кажется вполне возможным, что он достаточно сильно распространён», – говорит Десай.
Лучшее понимание условий, в которых зарождается микробная кооперация, может помочь в исследованиях, связанных со здоровьем. Многие заражающие организмы людей микробы работают в кооперативном режиме, известном под названием биоплёнка, и новые стратегии, предотвращающие формирование биоплёнок, могут стать альтернативами антибиотикам, к которым у микробов может вырабатываться сопротивляемость. Открытия также могут пролить свет на эволюцию многоклеточных организмов, возникших из наборов совместно действующих клеток, а также на рак, который можно рассматривать, как набор клеток-обманщиков, атакующих здоровые и сотрудничающие клетки наших тел.
Новая территория
Большая часть теоретических работ по эволюции кооперации концентрируется на статичных популяциях, либо живущих на одном месте, либо поддерживающих постоянный объём.
При недостатке еды тысячи отдельных Myxococcus xanthus кооперируются и создают образование, производящее споры
Учёным уже давно известно, что пространственные соглашения статичной популяции могут подстёгивать микробов к альтруизму. Хотя в сильно разнородных группах микробов обманщики выигрывают, комки сотрудничающих микробов могут перегонять в размере комочки обманщиков. В две популярных и несколько пересекающихся теории эволюции кооперации входит выбор родственников, согласно которому щедрость по отношению к членам семьи помогает выживать одному из генов, и выбор группы, согласно которому группа кооперирующих микробов достигает успеха чаще, чем отдельные микробы. «Преимуществами сотрудничества пользуются не все подряд члены популяции, а лишь те, кто либо находится неподалёку, либо генетически схож», – говорит Десаи.
Но большинство видов не живут в статичных условиях; они постоянно претерпевают изменения в количестве и меняют ареал обитания. Изменения, например, могут провоцировать глобальное потепление и геологические циклы, типа ледникового периода.
Новый набор исследований говорит о том, что расширение популяции может серьёзно влиять на динамику эволюции. В растущей популяции эффекты случайностей, более точно называемые в теории эволюции дрейфом генов, могут стать более влиятельными, чем естественный отбор. В результате может уменьшаться количество процветающих групп сотрудничающих микробов.
Когда два штамма микробов (зелёный и красный) расширяются на новую территорию, расти, скорее всего, будет оказавшийся на границе штамм. В результате получается узор «вертушки», как на фото
В эксперименте от 2007 года влияние экспансии было продемонстрировано визуально. Оскар Халачек [Oskar Hallatschek], работающий биофизиком в Калифорнийском университете в Беркли, начал с капли двух хорошенько перемешанных штаммов микробов, покрашенных при помощи флуоресцентных красок в два цвета. Поскольку оба штамма растут с одной скоростью, модель статической популяции предсказывает, что их концентрация со временем не будет меняться; начальное соотношение 50:50 сохранится. Но результаты оказались совершенно иными. Микробы, начав делиться и распространяться по чашке Петри, быстро отделились друг от друга и организовали рисунок-«вертушку» с разными секциями определённых цветов. «Это очень сильный эффект, которого очень трудно избегать», – говорит Халачек.
Открытия стали потрясающей иллюстрацией такого явления, как генетический сёрфинг, теоретически предсказанный несколькими годами ранее. (Среди исследователей много физиков, которых привлекает, среди прочего, потенциал моделирования и проверки эволюционных теорий). В больших статичных популяциях вероятность фиксации новых нейтральных мутаций (не влияющих на пригодность к эволюции) крайне низка. Но согласно модели сёрфинга, вероятность распространения мутаций, случающихся на границе растущей популяции, гораздо выше – они как бы осёдлывают волну экспансии – и укрепляются, потому что в том месте проходит воспроизводство небольшого числа клеток. В работе от 2007 года Халачек с коллегами объяснили, как генетический дрейф может подпитывать и генетический сёрфинг и появление рисунка «вертушки». Зелёные бактерии делятся и создают больше зелёных колоний, из-за чего растёт зелёный клин. «В случае с расширяющейся колонией всё дело в расположении, – говорит Халачек. – Даже если вы идеально получившийся мутант, вам нужно быть именно на этой границе, чтобы процветать, или у вас не будет шансов».
Эксперименты Халачика предоставили первое прямое доказательство того, что «сёрфинг может кардинально менять разнообразие нейтральных генов в большой естественной популяции», – говорит Лорен Экскоффье, специалист по генетике популяций из Бернского университета в Швейцарии, не связанный с исследованием.
Открытие не только показывает яркий контраст между статичной и распространяющейся популяциями, но и важную роль, играемую в эволюции случайностью, произошедшей в подходящих условиях. «Всё дело в умножении важности случайности», – говорит Кевин Фостер, биолог-эволюционист из Оксфордского университета, не связанный с этой работой. «Это значит, что некоторые свойства, даже не предпочтительные для эволюции, могут стать очень часто встречающимися чисто случайно».
Работа Халчека «на самом деле вдохновила множество исследований понимания того, как работает естественный отбор и расширение популяции, и какие они оставляют генетические следы, – говорит Десаи. – Наша работа продолжает эту тему. Мы размышляли о генетике растущей популяции и осознали, что она приводит к кооперации».
Маленькая командная работа
Фостер с коллегами предположили, что экспансия может стать ещё одной силой, подталкивающей к кооперации, при помощи детального вычислительного моделирования микробов в 2010 году. Модель подтвердила открытия Халачека и продвинула их на шаг дальше, предполагая, что расширение границ популяции рождает оптимальные условия для сотрудничества организмов.
В смешанной популяции сотрудничающих микробов (красный) и микробов-обманщиков (зелёный) кооператоры в итоге побеждают
Недавно две группы учёных продемонстрировали этот эффект на реальных микробах, выделив особые условия, благодаря которым смог эволюционировать альтруизм. Для исследования кооперации в дрожжах, исследователи использовали два вида – кооператоров, выделявших фермент, расщеплявший сахарозу до любимой еды микробов, глюкозы, и обманщиков, не умевших этого делать. Почти вся производимая кооператорами пища выпускалась в окружающую среду, где ею могли лакомиться как кооператоры, так и обманщики.
В эксперименте Десая, опубликованном в журнале Current Biology, каплю жидкости, содержавшей оба вида дрожжей, разместили на чашке Петри. По мере деления и расширения микробов на незанятое пространство, границу популяции случайным образом занимали то обманщики, то кооператоры. Это привело к «эффекту основателя», с живущими на границе группами микробов, состоящих в близком родстве. «Кто первый успевал мигрировать раньше других, у того и было больше отпрысков», – говорит Десаи.
Как правило, популяция сотрудничающих дрожжей росла быстрее популяции, состоящей из индивидуалистов-обманщиков, поскольку кооператоры обычно быстрее разрастались на новой территории. «Они выигрывают на границе популяции, и в итоге вся граница занята кооператорами, – говорит Десаи. – Пространственная экспансия популяции может кардинально улучшить шансы на успешную эволюцию кооперации».
Микробы Десая могли расти в двух измерениях, но некоторые случаи экспансии одномерны – к примеру, птицы, передвигающиеся по цепочке островов. Физик из MIT Джеф Гоур [Jeff Gore] с коллегами проанализировал одномерный случай, выращивая смесь кооперирующих и жульничающих микробов в тонких заполненных жидкостью трубках. Они вручную перемещали микробов, ежедневно перенося некоторую часть жидкости в новую трубку. В отличие от микробов-обманщиков Десаи, способных выживать без кооперации, обманщикам Гоура кооператоры нужны были для получения пищи и выживания, и они проникали в растущую популяцию кооператоров.
Джеф Гоур
Исследователи сравнили скорость экспансии кооператоров на границе со скоростью размножения обманщиков, бывших позади. Чтобы кооператорам сопутствовал успех, им нужно было расширяться быстрее, чем их атаковали обманщики. В работе, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, показан, что в суровых условиях в смешанной популяции кооператоры распространяются, а обманщики – вымирают. Однако, если как кооператоры, так и обманщики, развиваются в пустом пространстве, кооператоры перегоняют обманщиков только в мягких, но не в суровых условиях. (Скорость миграции подсчитывается через измерение плотности популяции каждой из трубок, растущей со временем). «Удивительно, как пространственная экспансия предпочитает кооперацию – они захватывают новые территории быстрее, чем обманщики могут захватывать их», – говорит Гоур.
У кооператоров есть преимущественный доступ к плодам их трудов, поскольку некоторые из выделяемых ими ферментов застревают в их собственных клеточных стенках. А это важно при низкой плотности клеток, поскольку «в таких условиях клеткам не хватает сахара, – говорит Гоур. – Так что кооператоры могут сожрать немного общего сахара до того, как он растворится».
Фостер говорит, что пространственное расширение – возможно, необходимое условие для выработки кооперации у микробов. «Оно очень простое, скорее всего, универсальное, и объясняет одно из важнейших открытий, связанных с микробами», – говорит он.
Кроме микробов
Конечно, микробы – не единственные организмы, расширяющие популяцию или проявляющие кооперацию. В принципе те же факторы, что играют роль для дрожжей, можно применять и к высшим организмам, хотя учёные осторожно отмечают, что доказательств этого пока нет.
«Остаётся разобраться, насколько такой эффект распространён в природе», – говорит Десаи. Многие виды расширяют свои территории, либо по сезонам, либо в долгосрочной перспективе. Привела ли миграция людей из Африки десятки тысяч лет назад к появлению предпочтений в пользу кооперации?
* * *
Экспансия людей
Расширяющаяся популяция несёт характерный генетический признак, и такой признак был найден у людей. Но проблема в том, что этот признак похож на тот, что остаётся в результате естественного отбора. Люди могли мигрировать из Африки «без всякой видимой причины, может просто потому, что это было возможно, но необязательно из-за какого-то давления со стороны селекции», – говорит Лорен Экскофье, генетик-популяционист из Бернского университета. Эти открытия говорят о том, что только из-за увеличения частоты мутации нельзя делать вывод, что это происходит под влиянием естественного отбора. «В одном наборе экспериментов пытаются разработать методы разделения этих чисто нейтральных эффектов случая и реального отбора», – говорит Оскар Халачек.
Экскофье с коллегами пытались изучить эффекты увеличения области обитания людей, анализируя схемы миграции популяции франкоговорящих канадцев в XIX и XX веках. Благодаря подробным генеалогическим записям исследователи могли определить, кто и когда менял место жительства. Согласно результатам, опубликованным в 2011 году в журнале Science, у женщин на границе области проживания было на 15% больше детей, чем у других. «Люди, находившиеся на гребне волны распространения, оставляли в популяции больше генов, чем те, кто находился в её середине», – говорит Экскофье. «Поэтому люди и бактерии в чём-то схожи – индивиды на границе обитания больше влияют на генофонд будущих поколений».
Записи показали, что приграничные женщины выходили замуж на год раньше, что позволяло им иметь больше детей. И хотя непонятны точные причины этого, Экскофье считает, что ранние браки возникают из-за меньшей конкуренции на границе. «Это были фермеры, у них было больше ресурсов, чем у тех, кто остался в центре популяции, где все хорошие места уже были заняты», – говорит он, так что мужчинам было легче обеспечивать жён.
* * *
«Мне неизвестны доказательства того, чтобы расширение области обитания влияло на кооперативный стиль работы человеческих популяций, но оба этих исследования указывают, что в принципе оно может работать на пользу кооперативного поведения», – говорит Гоур.
Фостер более скептически относится к тому, как сильно расширение влияет на кооперацию. «Оно могло произойти и в более крупных масштабах, но я не уверен, что расширение популяции как-то пропагандирует кооперацию у немикробных организмов», – говорит он. Социальные насекомые, ещё одна группа организмов, демонстрирующих целый набор примеров кооперативного поведения, «делают всё совершенно по-другому, – говорит он. – С ростом колонии они не демонстрируют пространственной экспансии или генетической сегрегации».
Понимание микробной кооперации может стать важным по другим причинам, говорит Джоа Ксавье [Joao Xavier], вычислительный биолог в Центре изучения арка им. Слоана-Кеттеринга в Нью-Йорке. К примеру, динамика пространственной экспансии могла бы объяснить, как плотные опухоли приобретают способность распространяться при помощи метастаз.
В каком-то смысле, раковые клетки действуют как обманщики в работающем в кооперации теле. Но самые успешные раковые опухоли тоже работают сообща. Клетки, привлекающие сосуды в опухоль, «действуют на пользу себя и их соседей», – говорит Ксавье, в начале карьеры бывший инженером-химиком, изучавшим то, как колонии бактерий можно использовать для очистки воды. «Это кооперативное свойство». Ксавье, Фостер и их коллеги уже показали в симуляциях, что динамику, присутствующую у микробов, можно применять и к раковым клеткам.
Фостер говорит, что его команда начинает изучать более сложные колонии микробов. Большинство лабораторных исследований ограничивается одним-двумя штаммами, но на нашей коже, или например в кишечнике, могут жить сотни, или даже тысячи видов, играющих, как узнали учёные, центральную роль в здоровье человека. «Микробы сталкиваются не только со своими собратьями-мошенниками, но и с целым набором других бактерий и вирусов, – говорит Фостер. – Если нам хочется манипулировать или изменять сообщество микробов в кишечнике или в месте инфицирования, нам нужно понять, как они взаимодействуют, чтобы понять, как они будут реагировать».
Растущий набор научных работ по пространственной экспансии приводит и к более мрачным вопросам: что происходит, когда расти уже некуда? Ответ зависит от обстоятельств. Если заканчиваются ресурсы, вся популяция погибает. Если ресурсов хватает, а расширяться некуда, тогда начинают побеждать мошеннические штаммы. «Когда популяция заканчивает расширяться, кооперативные фенотипы могут вымирать, поскольку их механизм полностью зависит от экспансии», – говорит Десаи.
С другой стороны, популяции редко стабилизируются полностью. «В естественных популяциях кооперация поддерживается из-за частых случаев экспансии, – говорит Кирилл Королёв, физик из Бостонского университета, коллега Гоура. – Возможно, периодически происходят большие встряски, типа лесных пожаров, после которых популяции медленно восстанавливаются».
