Альтруизм у бактерий: кишечные микробы помогают в первую очередь родственникам

Недавнее открытие того, что в реальных условиях бактерии, подобно животным, сотрудничают и бескорыстно действуют ради общего блага группы, может помочь ученым предсказывать поведение полезных и вредных штаммов. Это первое исследование, показавшее, что в человеческом кишечнике сложные бактериальные сообщества, состоящие из сотен видов, содержат «помощников», чье поведение приносит пользу их ближайшим родственникам.

Результаты могут предложить новые способы борьбы с болезнями и улучшения здоровья. Манипулирование тактикой сотрудничества, которую бактерии используют для выживания и процветания, может помочь в борьбе с вредными штаммами, вызывающими инфекции, или в использовании полезных штаммов.

Кооперативное поведение

Бактерии могут сотрудничать несколькими способами, чтобы адаптироваться к окружающей среде и повысить выживаемость.

Одни выделяют небольшие молекулы для поиска железа, необходимого для их роста, повышая его доступность для соседей. Другие производят ферменты для расщепления антибиотиков, защищая всю колонию.

Кооперативное поведение распространено среди многих видов животных, но случаи такого поведения у бактерий наблюдались лишь у немногих видов, часто в строго контролируемых лабораторных условиях.

Анализ геномов

Исследователи из Эдинбургского университета проанализировали геномы 100 видов бактерий человеческого кишечника, чтобы лучше понять, когда кооперативное поведение может встречаться в реальных условиях.

Сначала команда оценила вероятность их участия в шести различных типах кооперативного поведения, которое, вероятно, приносит пользу группе в ущерб индивидууму.

Затем они проанализировали генетическое сходство этих бактерий, чтобы выяснить, более ли склонны к сотрудничеству близкие родственники — аналогично братьям и сестрам в животном мире.

Результаты показали, что для всех изученных видов бактерий степень генетического сходства особей предсказывала вероятность проявления ими ряда кооперативных форм поведения.

Эволюционная теория

Существование кооперативного поведения было одной из неразгаданных тайн биологии и, казалось бы, противоречит принципу «выживания сильнейшего».

Тем не менее, от муравьев до слонов, виды, образующие сложные социальные группы, часто содержат особей, чья роль «помощника» доходит до крайностей — они рискуют жизнью или выращивают потомство родственников.

Этот тип альтруистического поведения, казалось, противоречит базовой эволюционной теории, которая движется за счет выживания успешных особей и передачи их генов будущим поколениям.

Это заставило Дарвина задуматься, как его теория естественного отбора может работать, например, в колонии бесплодных рабочих муравьев, посвятивших себя служению королеве.

Муравьи не только рискуют жизнью и отказываются от шанса размножаться, но и рискуют быть использованными «эгоистичными обманщиками» в колонии, которые получают выгоду от усилий рабочих, не затрачивая энергии.

Это загадочное явление объясняется теорией, согласно которой близкие родственники имеют схожие гены, поэтому кооператоры могут косвенно обеспечить передачу своих генов, помогая родственникам.

Альтруизм у бактерий

Однако ученые давно спорят, может ли та же теория, известная как концепция включенной приспособленности Гамильтона, работать у бактерий, которые часто существуют в сложных сообществах, состоящих из десятков или сотен видов.

Как могло развиться альтруистическое поведение, если оно рисковало распространиться и принести пользу не членам семьи, особенно конкурентам?

Данное исследование помогает разрешить этот спор, показывая, что в сложных бактериальных сообществах человеческого кишечника степень родства бактерий действительно предсказывает вероятность их вовлеченности в кооперативное поведение.

Глобальные вызовы

Это открытие может не только помочь в борьбе с болезнями, но и проложить путь к решению глобальных проблем, таких как продовольственная безопасность и изменение климата.

Производство продуктов питания можно увеличить, манипулируя азотфиксирующими бактериями, которые снабжают сельскохозяйственные культуры питательными веществами. Избыток углекислого газа можно поглощать, используя возможности водорослей.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences и финансировалось Стипендией Канцлера Эдинбургского университета.

Ведущий автор Камиль Симоне, аспирант группы доктора Люка МакНалли в Школе биологических наук Эдинбургского университета, сказала: «Микробы играют центральную роль в здоровье человека, и теперь, когда мы знаем, что семейная структура важна для бактерий "в реальном мире", это может предложить новые терапевтические возможности. Родство среди бактерий — это простой показатель, который объединяет огромную биологическую сложность, которую мы еще не до конца понимаем. Имея в руках этот единственный показатель, мы можем делать прогнозы о том, как будут вести себя бактерии. В будущем мы, возможно, сможем использовать это, чтобы способствовать сотрудничеству микробов, наиболее полезных для нас, и предотвращать сотрудничество среди вредных микробов».