اعتمادًا على الظروف الخارجية ، يمكن أن يتخذ الميكروب الميكوكوكس زانثوس شكلًا تنافسيًا (أصفر) وتعاونيًا (أخضر)على الرغم من البنية أحادية الخلية ، فإن الميكروبات قادرة على التعاون مع بعضها البعض بشكل مدهش. يمكنهم إفراز البوليمرات التي تسمح لهم بالبقاء معًا وتشكيل الأغشية الحيوية لحماية أنفسهم من المضادات الحيوية والسموم الأخرى. يمكنهم إنتاج كميات كبيرة من مواد التشحيم ، مما يسمح للمستعمرات بالنمو على الأسطح الناعمة ، وحتى إنتاج الجزيئات التي تبحث عن الحديد من أجل العيش في ظروف نقص الحديد ، على سبيل المثال ، في البشر.
يثير هذا التنوع في السلوك مسألة التطور: كيف يمكن أن يزدهر التعاون في مثل هذه البيئة الأنانية التي يقودها الانتقاء الطبيعي؟ يقول
مايكل ديساي ، الفيزيائي الذي عبر إلى علماء الأحياء الميكروبية التطورية في جامعة هارفارد: "المشكلة الكلاسيكية هي أن أي نوع من التعاون سيكون مكلفًا للأفراد". "اللغز هو كيف يمكن أن يحدث هذا الوضع كنتيجة للتطور؟"
التعاون - بحكم تعريفه ، السلوك الذي يفيد شخصًا آخر - قد يكون ، على سبيل المثال ، توفير الطعام أو الحماية ، وعادة ما يكون مكلفًا بالنسبة للمانح. خاصة في الكائنات التي تتحول بسرعة كبيرة مثل الميكروبات ، التي تظهر بانتظام طرقًا جديدة للخداع ، قادرة على تزويد المتعاونين.
سمحت الخميرة ، القادرة على الخداع والتعاون ، للعلماء بدراسة تطور التعاون في الميكروباتوفقًا لأبسط نموذج للانتقاء الطبيعي ، في مجتمع مختلط تمامًا من المتعاونين والمخادعين ، فإن الأخير عادة ما يفوز. لكن الحسابات والتجارب النظرية للميكروبات والكائنات الحية الأخرى أظهرت أن التعاون يمكن أن يتطور في ظل ظروف معينة. يمكن أن تتفوق مجموعات الأفراد المتصلين الذين يعملون معًا على المخادعين ، مما يفسر أن عددًا لا يحصى من الكائنات الحية - الميكروبات والحشرات وحتى البشر - يمكن أن تعيش من خلال التعاون.
اكتشفت دراستان منشورتان قوة جديدة يمكن أن تساعد المتعاونين على الازدهار: توسيع الحدود السكانية. عملت الدراستان مع الخميرة ، لكن العلماء يجادلون بأن الاكتشافات قد تكون أيضًا قابلة للتحويل إلى أنواع أخرى من الكائنات الحية ، بما في ذلك البشر. يقول ديساي: "من غير المعروف مدى انتشار هذه الآلية ، ولكن يبدو من المحتمل أن تكون واسعة الانتشار".
قد يساعد الفهم الأفضل للظروف التي ينشأ فيها التعاون الميكروبي في البحوث الصحية. تُعرف العديد من الميكروبات التي تصيب البشر بشكل تعاوني باسم الأغشية الحيوية ، ويمكن أن تصبح الاستراتيجيات الجديدة لمنع تكوين الأغشية الحيوية بدائل للمضادات الحيوية ، والتي يمكن استخدامها لتطوير المقاومة في الميكروبات. يمكن للاكتشافات أيضًا إلقاء الضوء على تطور الكائنات متعددة الخلايا الناشئة عن مجموعات من الخلايا المتعاونة ، وكذلك السرطان ، والتي يمكن رؤيتها كمجموعة من الخلايا الخادعة التي تهاجم الخلايا السليمة والمتعاونة في أجسامنا.
إقليم جديد
يركز معظم العمل النظري على تطور التعاون على السكان الساكنين ، إما يعيشون في مكان واحد أو الحفاظ على حجم ثابت.
مع نقص الطعام ، يتعاون الآلاف من أفراد الميكوكوكس زانثوس ويخلقون تكوينًا لإنتاج الجراثيم.لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن الاصطلاحات المكانية لسكان ساكنة يمكن أن تحفز الميكروبات على الإيثار. على الرغم من أن المخادعين يفوزون في مجموعات غير متجانسة للغاية من الميكروبات ، فإن كتل الميكروبات المتعاونة يمكن أن تتجاوز حجم كتل المخادعين. هناك نظريتان شائعتان ومتداخلتان إلى حد ما لتطور التعاون ، وتشمل اختيار الأقارب ، والذي يساعد الكرم تجاه أفراد العائلة أحد الجينات على البقاء ، واختيار مجموعة تنجح بموجبها مجموعة من الميكروبات المتعاونة أكثر من الميكروبات الفردية. يقول ديساي: "إن فوائد التعاون لا يتمتع بها الجميع من السكان ، ولكن فقط أولئك الذين هم قريبون أو متشابهون وراثيًا".
لكن معظم الأنواع لا تعيش في ظروف ثابتة. يخضعون باستمرار لتغييرات في الكمية ويغيرون موطنهم. يمكن للتغيرات ، على سبيل المثال ، أن تؤدي إلى الاحترار العالمي والدورات الجيولوجية ، مثل العصر الجليدي.
تشير مجموعة جديدة من الدراسات إلى أن التوسع السكاني يمكن أن يؤثر بشكل خطير على الديناميات التطورية. في عدد متزايد من السكان ، قد تصبح تأثيرات الصدفة ، التي يشار إليها بدقة أكبر في نظرية التطور عن طريق الانجراف الجيني ، أكثر تأثيرًا من الانتقاء الطبيعي. ونتيجة لذلك ، يمكن تقليل عدد المجموعات المزدهرة من الميكروبات المتعاونة.
عندما تتوسع سلالتان من الميكروبات (الأخضر والأحمر) إلى منطقة جديدة ، فمن المرجح أن ينمو الضغط على الحدود. والنتيجة هي نمط "القرص الدوار" ، كما في الصورةفي
تجربة من عام 2007 ، تم إظهار تأثير التوسع بشكل مرئي. بدأ أوسكار هالاتشيك ، عالم الفيزياء الحيوية بجامعة كاليفورنيا في بيركلي ، بإسقاط قطرتين ميكروبيتين مختلطتين جيدتين ملطختين بأصباغ الفلورسنت بلونين. مع نمو كلا السلالتين بنفس المعدل ، يتنبأ النموذج السكاني الثابت بأن تركيزهما لن يتغير بمرور الوقت ؛ ستبقى نسبة 50:50 الأولية. لكن النتائج كانت مختلفة تمامًا. الميكروبات ، بعد أن بدأت في المشاركة والانتشار على طبق بتري ، انفصلت بسرعة عن بعضها البعض ونظمت نمط "الدوار" مع أقسام مختلفة من ألوان معينة. يقول هالاشيك: "هذا تأثير قوي جدًا يصعب تجنبه".
كانت الاكتشافات توضيحا مذهلا لظاهرة مثل تصفح الجينات ، نظريا تنبأ بها قبل عدة سنوات. (هناك العديد من علماء الفيزياء بين الباحثين الذين ينجذبون ، من بين أمور أخرى ، إلى إمكانات النمذجة واختبار النظريات التطورية). في المجموعات السكانية الكبيرة ، يكون احتمال إصلاح الطفرات المحايدة الجديدة (التي لا تؤثر على ملاءمة التطور) منخفضًا للغاية. ولكن وفقًا لنموذج ركوب الأمواج ، فإن احتمال انتشار الطفرات التي تحدث على حدود عدد متزايد من السكان - يبدو أنهم يركبون موجة من التوسع - ويصبحون أقوى ، لأنه في هذا المكان يتكاثر عدد صغير من الخلايا. في ورقة عام 2007 ، أوضح هالاشيك وزملاؤه كيف يمكن للانجراف الوراثي أن يغذي التزحلق الجيني وظهور نمط الدوار. تنقسم البكتيريا الخضراء وتخلق المزيد من المستعمرات الخضراء ، وهذا هو السبب في نمو الإسفين الأخضر. يقول هالاشيك: "في حالة توسع المستعمرة ، فإن الأمر برمته يتعلق بالموقع". "حتى إذا كنت متحولة تمامًا ، يجب أن تكون على هذه الحدود بالذات لكي تزدهر ، أو لن تكون لديك فرصة."
قدمت تجارب Halachik أول دليل مباشر على أن "ركوب الأمواج يمكن أن يغير بشكل كبير تنوع الجينات المحايدة في عدد كبير من السكان الطبيعيين" ، كما يقول
Lauren Eskoffier ، وهو اختصاصي
غير بحثي في علم الوراثة السكانية في جامعة برن في سويسرا.
لا يظهر الاكتشاف فقط تباينًا حيويًا بين السكان الساكنين والمنتشرين ، ولكن أيضًا الدور المهم الذي يلعبه في تطور الصدفة من خلال الحدوث في ظل ظروف مناسبة. يقول
كيفين فوستر ، عالم الأحياء التطوري في جامعة أكسفورد الذي لا يشارك في هذا العمل: "كل شيء يتعلق بمضاعفة أهمية العشوائية". "هذا يعني أن بعض الخصائص ، حتى غير المفضلة للتطور ، يمكن أن تصبح شائعة جدًا عن طريق الصدفة".
يقول ديساي: إن عمل هالشيك "ألهم في الواقع الكثير من الأبحاث لفهم كيفية عمل الانتقاء الطبيعي والتوسع السكاني وكيف تترك آثارًا جينية". - عملنا يواصل هذا الموضوع. فكرنا في علم الوراثة لأعداد متزايدة من السكان وأدركنا أنها تؤدي إلى التعاون ".
القليل من العمل الجماعي
اقترح فوستر وزملاؤه أن التوسع يمكن أن يكون قوة أخرى تدفع للتعاون من خلال
النمذجة الحسابية التفصيلية
للميكروبات في عام 2010. أكد النموذج اكتشافات Halachek وأخذها خطوة أخرى إلى الأمام ، مما يشير إلى أن توسيع حدود السكان يخلق ظروفًا مثالية لتعاون الكائنات الحية.
في مجتمع مختلط من الميكروبات المتعاونة (الحمراء) والميكروبات الخادعة (الخضراء) ، يفوز المتعاونون في النهايةفي الآونة الأخيرة ، أظهرت مجموعتان من العلماء هذا التأثير على الميكروبات الحقيقية ، مسلطتين الضوء على الظروف الخاصة التي يمكن أن يتطور الإيثار. لدراسة التعاون في الخميرة ، استخدم الباحثون نوعين - المتعاونين الذين يفرزون إنزيمًا يكسر السكروز إلى طعامهم المفضل من الميكروبات والجلوكوز والمخادعين الذين لا يعرفون كيفية القيام بذلك. تم إطلاق جميع المواد الغذائية التي ينتجها المتعاونون تقريبًا في البيئة ، حيث يمكن لكل من المتعاونين والمخادعين إعادة بيع أنفسهم.
في تجربة Desai
نشرت في Current Biology ، تم وضع قطرة من السائل تحتوي على كلا النوعين من الخميرة على طبق بتري. عندما تنقسم الميكروبات وتتوسع إلى مساحة غير مأهولة ، تم احتلال حدود السكان بشكل عشوائي من قبل المخادعين أو المتعاونين. وأدى ذلك إلى "التأثير المؤسس" ، مع وجود مجموعات من الميكروبات تعيش على الحدود وثيقة الصلة. يقول ديساي: "من كان أول من هاجر في وقت أبكر من الآخرين كان لديه ذرية أكثر".
كقاعدة ، نما عدد السكان من الخميرة المتعاونة بشكل أسرع من عدد السكان المخادعين الفرديين ، حيث أن المتعاونين عادة ما ينمون بشكل أسرع في منطقة جديدة. يقول ديساي: "إنهم ينتصرون على حدود السكان ، ونتيجة لذلك ، يحتل المتعاونون الحدود بأكملها". "إن التوسع المكاني للسكان يمكن أن يحسن بشكل كبير فرص التطور الناجح للتعاون".
يمكن أن تنمو ميكروبات ديساي في بعدين ، لكن بعض حالات التمدد ذات بعد واحد - على سبيل المثال ، الطيور تتحرك على طول سلسلة من الجزر. قام فيزيائي MIT جيف جور وزملاؤه بتحليل حالة أحادية البعد من خلال زراعة خليط من جراثيم متعاونة وغش في أنابيب رقيقة مملوءة بالسائل. لقد قاموا بتحريك الميكروبات يدويًا ، ونقل بعض السوائل يوميًا إلى أنبوب جديد. على عكس ميكروبات ديساي التي يمكن أن تعيش بدون تعاون ، احتاج مخادعو غورا إلى شركاء في العمل من أجل الغذاء والبقاء ، وقد اخترقوا عددًا متزايدًا من المشاركين في العمل.
جيف جورقارن الباحثون معدل توسع المتعاونين على الحدود مع معدل تكاثر المخادعين. لكي ينجح المتعاونون ، كانوا بحاجة إلى التوسع بشكل أسرع مما هاجمهم المخادعون. تظهر
ورقة نشرت في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم أنه في ظروف قاسية ، في مجتمع مختلط ، ينتشر المتعاونون ويموت المخادعون. ومع ذلك ، إذا تطور كل من المتعاونين والمخادعين في مساحة فارغة ، فإن المتعاونين يتفوقون على المخادعين فقط في ظروف خفيفة ، ولكن ليس قاسية. (يتم حساب معدل الهجرة عن طريق قياس الكثافة السكانية لكل أنبوب ينمو بمرور الوقت). يقول غور: "إنه لأمر مدهش كيف يفضل التوسع المكاني التعاون - فهم يسيطرون على مناطق جديدة بشكل أسرع مما يمكن للخداع توليه".
يتمتع المتعاونون بإمكانية الوصول التفضيلي إلى ثمار أعمالهم ، حيث تتعثر بعض الإنزيمات التي يفرزها في جدران الخلايا الخاصة بهم. هذا مهم في كثافات الخلايا المنخفضة ، لأنه "في هذه الظروف ، تفتقر الخلايا إلى السكر" ، يقول جور. "لذا يمكن للمتعاونين التهام القليل من السكر الكلي قبل أن يذوب."
يقول فوستر إن التوسع المكاني ربما يكون شرطًا أساسيًا للتعاون الميكروبي. يقول: "إنها بسيطة للغاية ، ومن المرجح أنها عالمية ، وتشرح أحد أهم الاكتشافات المتعلقة بالميكروبات".
بالإضافة إلى الجراثيم
بالطبع ، الميكروبات ليست الكائنات الوحيدة التي توسع السكان أو تظهر تعاونًا. من حيث المبدأ ، يمكن تطبيق نفس العوامل التي تلعب دورًا في الخميرة على الكائنات الحية الأعلى ، على الرغم من أن العلماء يلاحظون بحذر أنه لا يوجد دليل على ذلك حتى الآن.
يقول ديساي: "يبقى أن نفهم مدى انتشار هذا التأثير في الطبيعة". توسع العديد من الأنواع أراضيها ، إما حسب الموسم أو على المدى الطويل. هل أدت هجرة الناس من إفريقيا منذ عشرات الآلاف من السنين إلى تفضيلات لصالح التعاون؟
* * *
توسع الناس
يحمل عدد متزايد من السكان سمة وراثية مميزة ، وقد تم العثور على هذه السمة في البشر. لكن المشكلة هي أن هذه السمة تشبه تلك السمة التي تبقى نتيجة الانتقاء الطبيعي. تقول لورين إكسكوفير ، عالمة الوراثة في جامعة بيرن ، إن الناس يمكن أن يهاجروا من إفريقيا "بدون سبب واضح ، ربما ببساطة لأنه كان ممكنًا ، ولكن ليس بالضرورة بسبب نوع من الضغط من التكاثر". تشير هذه الاكتشافات إلى أنه لا يمكن استنتاج أن هذا يحدث تحت تأثير الانتقاء الطبيعي فقط بسبب زيادة تواتر الطفرة. يقول أوسكار هالاشيك: "في مجموعة واحدة من التجارب ، يحاولون تطوير طرق لفصل هذه التأثيرات المحايدة تمامًا عن الصدفة والاختيار الحقيقي".
حاول Excopier وزملاؤه دراسة آثار زيادة مساحة السكن البشري من خلال تحليل أنماط الهجرة للكنديين الناطقين بالفرنسية في القرنين التاسع عشر والعشرين. بفضل سجلات الأنساب التفصيلية ، يمكن للباحثين تحديد من ومتى تم تغيير مكان إقامتهم. وفقًا للنتائج التي نُشرت في عام 2011 في مجلة Science ، كان لدى النساء على حدود منطقة الإقامة أطفالًا بنسبة 15 ٪ أكثر من غيرهن. يقول إكسكوفير: "إن الأشخاص الموجودين على قمة موجة الانتشار تركوا عددًا أكبر من الجينات بين السكان مقارنة بالجينات الموجودة في الوسط". "لذا ، فإن الأشخاص والبكتيريا متشابهون إلى حد ما - الأفراد على حدود موائلهم أكثر عرضة للتأثير على مجموعة الجينات للأجيال القادمة."
وأظهرت السجلات أن نساء الحدود تزوجن قبل عام ، مما سمح لهن بإنجاب المزيد من الأطفال. وعلى الرغم من أن الأسباب المحددة لذلك غير واضحة ، يعتقد Exoffier أن الزواج المبكر ينشأ بسبب المنافسة الأقل على الحدود. "لقد كانوا مزارعين ، وكان لديهم موارد أكثر من أولئك الذين بقوا في وسط السكان ، حيث تم بالفعل أخذ جميع الأماكن الجيدة" ، لذلك كان من الأسهل على الرجال توفير الزوجات.
* * *
يقول جور: "لا أعرف الدليل على أن توسيع منطقة التأثير يؤثر على أسلوب العمل التعاوني للسكان ، لكن كلا الدراستين تشيران إلى أنه ، من حيث المبدأ ، يمكن أن يعمل لصالح السلوك التعاوني".
فوستر أكثر تشككًا في مدى تأثير التوسع على التعاون. يقول: "كان يمكن أن يحدث على نطاق أوسع ، لكنني لست متأكدًا من أن التوسع السكاني يعزز بطريقة أو بأخرى التعاون في الكائنات غير الميكروبية". الحشرات الاجتماعية ، وهي مجموعة أخرى من الكائنات الحية التي تعرض مجموعة كاملة من الأمثلة على السلوك التعاوني ، "تفعل الأشياء بشكل مختلف تمامًا" ، كما يقول. "مع نمو المستعمرة ، فإنها لا تظهر التوسع المكاني أو الفصل الجيني."
يمكن أن يكون فهم التعاون الميكروبي مهمًا لأسباب أخرى ، كما يقول
جواو كزافييه ، عالم الأحياء الحسابي في مركز أبحاث القوس. سلون كيترينج في نيويورك. على سبيل المثال ، يمكن لديناميكيات التوسع المكاني أن تشرح كيف تكتسب الأورام الكثيفة القدرة على الانتشار عبر النقائل.
بمعنى ما ، تعمل الخلايا السرطانية مثل الغشاشين في الجسم التعاوني. لكن أنجح السرطانات تعمل أيضًا معًا. قال Xavier ، وهو مهندس كيميائي في بداية حياته المهنية ، وهو يدرس كيف يمكن استخدام المستعمرات البكتيرية لتنقية المياه ، إن الخلايا التي تجذب الأوعية الدموية إلى الورم "تفيد نفسها وجيرانها". "هذه ملكية تعاونية." أظهر كزافييه وفوستر وزملاؤهم بالفعل في
المحاكاة أن الديناميكيات الموجودة في الميكروبات يمكن أيضًا تطبيقها على الخلايا السرطانية.
يقول فوستر إن فريقه بدأ في دراسة المستعمرات الميكروبية الأكثر تعقيدًا. تقتصر معظم الدراسات المختبرية على سلالة واحدة أو سلالتين ، ولكن على جلدنا ، أو على سبيل المثال في الأمعاء ، يمكن أن تعيش المئات ، أو حتى الآلاف من الأنواع ، كما يلعب العلماء ، دورًا محوريًا في صحة الإنسان. يقول فوستر: "تواجه الميكروبات ليس فقط مع زملائها المحتالين ، ولكن مع مجموعة كاملة من البكتيريا والفيروسات الأخرى". "إذا أردنا التلاعب أو تغيير المجتمع الميكروبي في الأمعاء أو في موقع الإصابة ، فنحن بحاجة إلى فهم كيفية تفاعلهم من أجل فهم كيفية استجابتهم".
تؤدي مجموعة متزايدة من الأوراق العلمية حول التوسع المكاني إلى أسئلة أكثر كآبة: ماذا يحدث عندما لا يوجد مكان ينمو فيه؟ الجواب يعتمد على الظروف. إذا نفدت الموارد ، يموت جميع السكان. إذا كانت هناك موارد كافية ، ولكن لا يوجد مكان للتوسع ، فإن السلالات الاحتيالية تبدأ في الفوز.
يقول ديساي: "عندما ينتهي السكان من التوسع ، يمكن أن تموت الأنماط الظاهرية التعاونية لأن آليتها تعتمد بشكل كامل على التوسع".من ناحية أخرى ، نادرًا ما يستقر السكان تمامًا. يقول كيريل كوروليف ، الفيزيائي بجامعة بوسطن ، زميل "جور ": "في السكان الطبيعيين ، يتم دعم التعاون بسبب حالات التوسع المتكررة" . "ربما تحدث صدمات كبيرة بشكل دوري ، مثل حرائق الغابات ، وبعد ذلك يتعافى السكان ببطء".