根据外部条件，黄曲霉菌可以采取竞争性（黄色）形式和合作性（绿色）形式尽管具有单细胞结构，但是微生物能够令人惊奇地彼此协作。 他们可以分泌聚合物，使其粘在一起并形成生物膜，以保护自己免受抗生素和其他毒物的侵害。 它们可以产生大量的润滑剂，使菌落能够在柔软的表面上生长，甚至可以产生寻找铁的分子，以便生活在例如人体缺铁的条件下。
这种行为的多样性提出了进化的问题：在自然选择驱动的这种自私的环境中，合作如何蓬勃发展？ “经典的问题是，任何形式的合作对个人而言都是代价高昂的”，物理学家
迈克尔·德赛 （
Michael Desai）说，他与哈佛大学的微生物进化生物学家接触。 “谜团是这种情况如何因进化而发生？”
合作-从定义上讲，是一种有益于他人的行为-例如，可以提供食物或提供保护，通常对捐赠者而言是昂贵的。 尤其是在微生物这样迅速变异的生物中，它们经常出现新的欺骗方法，能够为合作者提供条件。
酵母具有欺骗和合作的能力，使科学家能够研究微生物合作的演变根据自然选择的最简单模型，在合作者和欺骗者的完美混合人群中，后者通常会获胜。 但是对微生物和其他生物的理论计算和实验表明，在一定条件下可以发展合作。 相互联系的团体一起工作可以胜过欺骗者，这说明无数的生物（微生物，昆虫，甚至人类）可以通过合作生存。
两项已发表的研究发现了一种可以帮助合作者繁荣发展的新力量：扩大人口边界。 两项研究均与酵母有关，但科学家认为，发现也可能会转移到其他生物物种，包括人类。 Desai说：“尚不知道这种机制有多广泛，但很有可能非常普遍。”
更好地了解出现微生物合作的条件可能有助于健康研究。 许多感染人类的微生物被合称为生物膜，防止生物膜形成的新策略可以成为抗生素的替代方法，而抗生素可用于在微生物中产生抗药性。 这些发现还可以揭示由协同作用的细胞集合以及癌症引起的多细胞生物的进化，这可以看作是攻击我们身体健康和协同作用的细胞的一组欺骗性细胞。
新领域
关于合作发展的大部分理论工作都集中在居住在一个地方或保持不变的固定人口上。
在缺乏食物的情况下，成千上万的黄色粘球菌相互合作，形成了产生孢子的形式。科学家们早就知道，静态种群的空间惯例会刺激微生物无私。 尽管欺骗者在微生物的高度异质性类别中获胜，但协作微生物的团块可能会超过欺骗者的团块。 合作进化的两种流行且有些重叠的理论包括亲戚的选择（对家庭成员的慷慨帮助一种基因得以生存）和亲戚的选择（据此选择一组合作微生物比单个微生物更成功）。 德赛说：“合作的好处并不是所有人都能享受，而是只有附近或遗传相似的人才能享受。”
但是大多数物种并不是生活在静态条件下。 他们不断发生数量变化并改变栖息地。 例如，变化会触发全球变暖和地质周期，例如冰河时期。
一组新的研究表明，人口膨胀会严重影响进化动力学。 在不断增长的人口中，偶然性的影响可能会比自然选择更具影响力。 结果，可以减少兴旺的协作微生物的数目。
当两个微生物菌株（绿色和红色）扩展到新的领域时，该菌株很可能会在边界上生长。 如图所示，结果是一个“转盘”图案在
2007年的一项
实验中，以视觉方式展示了扩展
的影响。 加州大学伯克利分校的生物物理学家奥斯卡·哈拉特切克（Oskar Hallatschek）首先讲了两种由两种颜色的荧光染料染色的，充分混合的微生物菌株。 当两种菌株以相同的速率生长时，静态种群模型预测它们的浓度不会随时间变化。 最初的50:50比例将保留。 但是结果却完全不同。 微生物已经开始在陪替氏培养皿中共享和传播，很快彼此分离，并形成了带有某些颜色不同部分的“纺纱”图案。 Halachek说：“这是一个非常强大的效果，很难避免。”
这些发现是对遗传冲浪等现象的惊人说明，理论上是几年前预测的。 （在研究人员中，有许多物理学家被建模和测试进化论的潜力所吸引）。 在大量的静态种群中，修复新的中性突变（不影响进化适应性）的可能性非常低。 但是根据冲浪模型，在不断增长的人口边界发生突变扩散的可能性要高得多-它们似乎正经历一波扩张浪潮-并且变得更强壮，因为在那儿，少数细胞得以繁殖。 Halachek及其同事在2007年的一篇论文中解释了遗传漂移如何促进遗传冲浪和旋转图案的出现。 绿色细菌分裂并形成更多绿色菌落，这就是为什么绿色楔形物会生长的原因。 Halachek说：“在殖民地扩张的情况下，这全都取决于地理位置。” “即使您是一个完美的突变体，您也需要处于那个边界才能蓬勃发展，否则您将没有机会。”
哈拉奇克的实验提供了第一个直接证据，即“冲浪可以极大地改变大量自然种群中中性基因的多样性，”瑞士伯尔尼大学种群遗传学
非研究专家
劳伦·埃斯科菲耶尔 （
Lauren Eskoffier）说。
该发现不仅显示出静态种群与扩散种群之间的生动对比，而且还显示了在适当条件下发生的机会演化中的重要作用。 牛津大学的进化生物学家
凯文·福斯特 （
Kevin Foster）表示：“这全是要增加随机性的重要性。” “这意味着某些性质，即使不是进化所不希望的，也可能只是偶然地变得非常普遍。”
德赛说，哈尔切克的工作“实际上激发了许多研究，以了解自然选择和种群扩展的工作方式以及它们如何留下遗传痕迹”。 -我们的工作将继续这个主题。 我们考虑了人口增长的遗传因素，并意识到这可以促进合作。”
小团队合作
福斯特（Foster）及其同事建议，通过
微生物的详细
计算模型 ，扩展可能是推动合作的另一种力量，2010年。 该模型证实了哈拉切克的发现并将其进一步发展，这表明扩大种群范围为生物体的合作创造了最佳条件。
在混合微生物（红色）和欺骗性微生物（绿色）的混合人群中，合作者最终获胜最近，两组科学家已经证明了这种作用对真实微生物的影响，突显了利他主义可能进化的特殊条件。 为了研究酵母中的合作，研究人员使用了两个物种-合作者，他们会分泌一种能够分解蔗糖的酶，然后才是人们最喜欢的微生物，葡萄糖和不知道怎么做的欺骗者的食物。 合作者生产的几乎所有食物都被释放到环境中，合作者和欺骗者都可以自食其力。
在《
现代生物学》上发表的德赛实验
中 ，将一滴含有两种酵母的液体放在培养皿上。 随着微生物的扩散并扩展到无人居住的空间，人口的边界被欺骗者或合作者随机占据。 这导致了“奠基者效应”，与生活在边界上的微生物群密切相关。 德赛说：“谁比其他人更早地迁移了谁？”
通常，合作酵母的增长要快于个体欺骗者的增长，因为合作者通常在新的领域增长更快。 德赛说：“他们在人口的边界上取胜，结果整个边界被合作者占领。” “人口的空间扩张可以大大提高合作成功发展的机会。”
德赛（Desai）微生物可以在两个维度上生长，但某些扩展案例是一维的，例如，鸟类沿着一连串的岛屿运动。 麻省理工学院的物理学家杰夫·戈尔（Jeff Gore）及其同事分析了一维情况，方法是在充满液体的细管中长出合作细菌和欺骗细菌的混合物。 他们手动移动微生物，每天将一些液体转移到新管中。 与Desai微生物无法合作就可以生存的情况不同，Goura的欺骗者需要合作者来维持食物和生存，并且渗透了越来越多的合作者。
杰夫·古尔研究人员比较了边境合作伙伴的扩张速度与背后欺骗者的繁殖速度。 为了使合作者成功，他们需要比欺骗者攻击他们的速度更快。 在《美国国家科学院院刊》
上发表的
一篇论文表明，在严酷的条件下，在混合人群中，合作者扩散，欺骗者死亡。 但是，如果合作者和欺骗者都在空旷的地方成长，则合作者仅在温和而不苛刻的条件下才超过欺骗者。 （迁移率是通过测量随时间增长的每个试管的种群密度来计算的）。 Gour表示：“空间扩张更喜欢合作，这真是令人惊讶-它们比骗子所能接管的要快得多。”
合作者可以优先获得劳动成果，因为他们分泌的某些酶会卡在自己的细胞壁上。 Gour说，这在低细胞密度时很重要，因为“在这种情况下，细胞缺乏糖分”。 “因此，合作者可以在糖溶解之前吞下一点总糖。”
福斯特说，空间扩展可能是微生物合作的前提。 他说：“这非常简单，很可能是通用的，并且解释了与微生物有关的最重要发现之一。”
除了细菌
当然，微生物并不是扩大种群或显示合作的唯一生物。 原则上，对酵母菌起作用的相同因素也可以应用于高等生物，尽管科学家谨慎地注意到目前尚无证据。
德赛说：“这种效应在自然界有多广泛，还有待了解。” 无论是按季节还是从长期来看，许多物种都会扩大其领土。 几万年前从非洲迁徙的人是否引起了对合作的偏爱？
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人员扩展
不断增长的人口具有特征性的遗传特征，这种特征已在人类中发现。 但是问题在于，这种特性类似于自然选择留下的特性。 伯尔尼大学的遗传学家Lauren Excofier说：“人们可以从非洲移居，“没有明显的原因，可能仅仅是因为有可能，但不一定是由于育种带来的某种压力。” 这些发现表明，仅由于突变频率的增加，不能断定这是在自然选择的影响下发生的。 Oscar Halachek说：“在一组实验中，他们试图开发出将机会和真正选择的纯中性影响分开的方法。”
Excopier及其同事试图通过分析19世纪和20世纪讲法语的加拿大人的迁移模式来研究增加人类居住面积的影响。 由于详细的家谱记录，研究人员可以确定谁以及何时更改了居住地。 根据2011年发表在《科学》杂志上的结果，居住地区边界的妇女生育的子女比其他妇女多15％。 Excofier说：“传播波峰上的人们在种群中留下的基因多于中间种群。” “因此，人与细菌有些相似-栖息地边界的个体更有可能影响后代的基因库。”
记录显示，边境妇女一年前结婚，这使她们有了更多的孩子。 尽管这样做的确切原因尚不清楚，但埃索菲耶（Exoffier）认为，早婚是由于边境地区竞争减少而产生的。 他说：“他们是农民，他们的资源比那些已经占据了所有好地方的人口中心要多。”因此，男人为妻子提供抚养权更加容易。
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Gour说：“我不知道扩大影响范围会影响人类合作工作方式的证据，但是这两项研究均表明，从原则上讲，它可以有益于合作行为。”
福斯特对扩张对合作有多大怀疑。 他说：“这本来可以大规模发生，但我不确定人口的增长会以某种方式促进非微生物有机体的合作。” 他说，社交昆虫是另一类展示合作行为实例的有机体，“做事完全不同”。 “随着殖民地的增长，它们没有显示出空间扩展或遗传隔离。”
Arch研究中心的计算生物学家
Joao Xavier说，出于其他原因，了解微生物的合作可能很重要。 Sloane Kettering在纽约。 例如，空间扩张的动力学可以解释致密肿瘤如何获得通过转移扩散的能力。
从某种意义上说，癌细胞在合作体内就像骗子一样。 但是，最成功的癌症也可以协同工作。 化学工程师泽维尔（Xavier）在其职业生涯初期研究如何将细菌菌落用于净化水的过程中，将血管吸入肿瘤的细胞“有益于自身及其邻居”。 “这是一个合作财产。” Xavier，Foster和他们的同事已经在
模拟中表明，微生物中存在的动力学也可以应用于癌细胞。
福斯特说，他的团队开始研究更复杂的微生物菌落。 大多数实验室研究仅限于一到两个菌株，但是在我们的皮肤上，例如在肠道中，数百种甚至数千种物种可以生存，正如科学家们所了解的那样，它们在人类健康中发挥着重要作用。 福斯特说：“微生物不仅面临着其他欺诈者，而且还面临着许多其他细菌和病毒。” “如果我们想操纵或改变肠道或感染部位的微生物群落，我们需要了解它们如何相互作用以了解它们将如何应对。”
关于空间扩展的越来越多的科学论文引发了更多令人沮丧的问题：如果无处可生长怎么办？ 答案取决于具体情况。 如果资源用尽，整个人口将丧生。 如果有足够的资源，但无处可扩展，那么欺诈的压力就会开始。
Desai说：“当种群完成扩展后，合作表型可能会消失，因为它们的机制完全取决于扩展。”另一方面，人口很少完全稳定下来。“在自然种群中，由于频繁的扩展案例，合作得到了支持，” Gour同事波士顿大学的物理学家Kirill Korolev说。“也许定期发生大地震，例如森林大火，然后种群缓慢恢复。”