Как развивается кооперация?

В природе организмы часто поддерживают друг друга, чтобы получить преимущество. Однако такая кооперация противоречит теории эволюции Чарльза Дарвина: зачем организмам тратить ценные ресурсы на помощь другим? Вместо этого они должны использовать их для себя, чтобы выиграть эволюционное соревнование. Новое исследование под руководством профессора доктора Кристиана Коста с кафедры экологии Университета Оснабрюка решило эту загадку. Результаты опубликованы в научном журнале Current Biology. Проект выполнен совместно с Институтом химической экологии Макса Планка в Йене.

Взаимодействия, в которых все партнёры получают выгоду, повсеместны в природе и сыграли ключевую роль в эволюции жизни на Земле. Например, корневые бактерии фиксируют азот из атмосферы, делая его доступным для растений. Взамен растение снабжает бактерии питательными сахарами. Однако поддержка партнёра требует затрат. Например, производство сахара требует энергии, которая становится недоступной самому растению. Это создаёт риск появления «обманщиков», которые потребляют сахар, не предоставляя азот взамен.

Исследовательская группа использовала бактерии в качестве модельной системы для изучения эволюции взаимной кооперации. В начале эксперимента два штамма бактерий могли расти, только обмениваясь незаменимыми аминокислотами. Однако в течение нескольких поколений обмен побочными продуктами метаболизма превратился в настоящую кооперацию: оба партнёра увеличили производство обмениваемых аминокислот, чтобы принести пользу друг другу. Хотя увеличенное производство аминокислот ускоряло рост при совместном присутствии партнёров, оно было крайне затратным, когда штаммы росли по отдельности.

Наблюдаемые изменения были вызваны тем, что отдельные бактериальные клетки объединились в многоклеточные кластеры. В этих группах кооперативные мутанты получали вознаграждение. Чем больше ресурсов они вкладывали в рост других клеток, тем больше питательных веществ получали взамен от партнёров.

«Такой тип обратной связи представляет собой ранее неизвестный механизм, который способствует эволюции кооперативных взаимодействий между двумя разными организмами», — говорит руководитель исследования Кост. Хотя эксперимент проводился с бактериями in vitro, обнаруженный механизм, вероятно, может объяснить эволюцию кооперации во многих экологических взаимодействиях.