Почему сотрудничество выгодно
Многие виды демонстрируют кооперативные стратегии выживания, например, делятся пищей или предупреждают сородичей о хищниках. Однако почти всегда в популяции находятся "безбилетники", которые пользуются преимуществами, созданными кооператорами. Это наблюдается даже у микроорганизмов, таких как дрожжи, где "читеры" потребляют сахар, произведённый соседями, не внося собственного вклада.
Эволюционных биологов давно интересовало, почему кооперация остаётся жизнеспособной стратегией, если всегда найдутся обманщики. Физики из MIT нашли возможный ответ: в присутствии конкурирующего вида кооперативные дрожжи имеют больше шансов на выживание, чем читеры.
Эта экспериментальная установка, где дрожжи сосуществуют с бактериями-конкурентами, лучше имитирует естественные условия, в которых виды конкурируют за ограниченные ресурсы.
"Очень сложно изучать эти вещи в по-настоящему естественном контексте", — говорит Джефф Гор, старший автор исследования, опубликованного в журнале Molecular Systems Biology 13 ноября. — "Эти эксперименты могут стать мостом между опытами с одним видом и очень сложной динамикой экосистем".
Читеры процветают, но не всегда
Исследователи изучали штамм дрожжей, питающихся простыми сахарами (глюкозой, фруктозой). При выращивании в среде с сахарозой некоторые клетки выделяют фермент, расщепляющий её на простые сахара, которые становятся доступны всем соседним клеткам.
В 2009 году Гор и коллеги показали, что в стабильной популяции дрожжей доминируют безбилетники: только 14% клеток сотрудничали, выделяя ферменты.
В новом исследовании учёные усложнили систему, добавив бактериального конкурента. Эти бактерии потребляли сахар, произведённый кооперативными дрожжами, и конкурировали за другие ресурсы. После добавления бактерий доля кооператоров в популяции дрожжей выросла до ~45%.
Это изменение обусловлено не "решением" дрожжей, а чисто генетическими механизмами.
Два механизма преимущества
Исследователи обнаружили два механизма, объясняющих рост кооперации:
- Прямой доступ: В условиях усиленной конкуренции за сахар кооператоры имеют небольшое преимущество, так как им легче получить доступ к сахару, который они сами производят.
- Плотность популяции: Присутствие бактерий сдерживает общую численность дрожжей и заставляет их распределяться реже. Это усложняет читерам поиск пищи, так как им становится труднее находить производимые сахара.
"Клетки-читеры действительно могут распространяться, когда вокруг много других дрожжей, потому что вокруг много сахара. Если дрожжей мало, то читерам сложно распространяться", — поясняет Гор.
Эксперимент показывает, что выводы, сделанные при изучении изолированных видов, могут не отражать ситуацию в природе.
"Если вы просто изучаете что-то в изоляции, например, дрожжи в пробирке, вы можете сделать вывод, что кооперация очень нестабильна. Но если вы посмотрите на эти популяции в дикой природе, где их плотность ограничена и они взаимодействуют со многими другими видами, вы можете прийти к совершенно другим выводам о том, насколько сложно выжить кооперативному поведению", — заключает учёный.