在自然界中，有些生物的行為讓人既震撼又困惑：它們會(huì)主動(dòng)選擇“自我犧牲”以換取整個(gè)群體的生存機(jī)會(huì)。比如，某些細(xì)菌會(huì)分泌大腸桿菌素殺死競爭者，卻也因此難逃一死；蜜蜂在蜇刺敵人后會(huì)犧牲自身，以保護(hù)蜂群安全；甚至在人類疾病中，敗血性休克可能通過個(gè)體的死亡來限制病原體在群體中的傳播。這種無私奉獻(xiàn)的行為在生物界廣泛存在。然而，從演化角度來看，這種“自我犧牲”行為卻是一個(gè)巨大的謎題：既然這些個(gè)體無法存活下來繁殖后代，相關(guān)的基因似乎應(yīng)該逐漸消失。那么，這種行為是如何在自然選擇過程中得以延續(xù)的呢？
近日，由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/合成生物進(jìn)化研究中心的黃術(shù)強(qiáng)和傅雄飛課題組在國際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)期刊The ISME Journal發(fā)表了題為"Strong segregation promotes self-destructive cooperation"的研究，通過定量合成生物學(xué)方法揭示了微生物如何在壓力環(huán)境中通過“自我犧牲”行為實(shí)現(xiàn)群體生存的新機(jī)制。
該研究發(fā)現(xiàn)，在極端分散（Strong segregation）的條件下，比如群體被分散成極小的單元（甚至初始群體只有1-2個(gè)個(gè)體）時(shí)，具有自我犧牲行為的群體（Self destructive cooperation,SDC）反而能夠在壓力環(huán)境中穩(wěn)定存在，在高強(qiáng)度的環(huán)境壓力下變得更加顯著。這一發(fā)現(xiàn)不僅解釋了微生物自我犧牲行為的演化邏輯，還為理解壓力環(huán)境如何塑造自我犧牲行為提供了新的理論。
01?理論預(yù)測強(qiáng)分散環(huán)境有利于自我犧牲行為的演化
另一方面，驗(yàn)證演化理論一直是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@需要考慮復(fù)雜的環(huán)境因素、漫長的演化時(shí)間以及眾多亞群體。為了應(yīng)對(duì)這一技術(shù)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)依托深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施（Shenzhen Synthetic Biology Infrastructure）開發(fā)了一套自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)流程，對(duì)含有“犧牲者-作弊者（SDC-cheater）”的合成生物系統(tǒng)進(jìn)行了高通量實(shí)驗(yàn)操作，成功驗(yàn)證了壓力環(huán)境塑造犧牲行為的新理論。
一般來講，個(gè)體的行為特征應(yīng)當(dāng)具備某種有助于生存和繁衍的優(yōu)勢(shì)，從而能夠代代相傳。群體選擇理論能夠解釋弱利他行為的演化，即：雖然群體中的合作者個(gè)體相對(duì)于非合作者個(gè)體處于競爭劣勢(shì)，但合作者依然能夠通過其他方式提升自身亞群（Subgroup）的適應(yīng)度，從而在群體層面上產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)。然而，該理論難以解釋極端利他行為的演化，比如自我犧牲行為。這種行為看似完全犧牲了自身利益，不會(huì)在亞群內(nèi)留下后代，在群體內(nèi)部形成極端劣勢(shì)，而且這種劣勢(shì)往往難以通過群體層面的潛在收益來彌補(bǔ)。這與傳統(tǒng)理論理解存在一定的矛盾。
針對(duì)微生物自我犧牲行為的演化，本研究提出了一種新的解釋：在極端分散的環(huán)境中，會(huì)形成大量的同類種群（都具備自我犧牲行為，或都具備作弊行為）和少量的異類種群（自我犧牲行為和作弊行為同時(shí)存在）。當(dāng)施加環(huán)境壓力或遇到外敵入侵時(shí)，具備自我犧牲行為的同類種群會(huì)通過部分個(gè)體的自我犧牲保護(hù)同伴，從而讓整個(gè)種群存活下來;相反，具備作弊行為的種群則會(huì)逐漸消失。最終，大量具備自我犧牲行為的個(gè)體得以保留，從而使得“犧牲基因”能夠穩(wěn)定流傳。研究還發(fā)現(xiàn)，環(huán)境壓力越強(qiáng)，這種自我犧牲行為的保留效果越顯著。這一理論不僅解釋了自我犧牲行為的演化邏輯，還為理解壓力環(huán)境如何塑造自我犧牲行為提供了新的視角。
02?開發(fā)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)流程驗(yàn)證自我犧牲行為的演化
盡管理論分析表明，在強(qiáng)分散的環(huán)境中，自我犧牲行為可以維持并演化，但實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證依然面臨許多挑戰(zhàn)。主要難點(diǎn)在于：如何構(gòu)建一個(gè)可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)方案來準(zhǔn)確模擬這種行為及其與“作弊者”之間的關(guān)系，以及整個(gè)演化過程。
為應(yīng)對(duì)該技術(shù)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)首先利用構(gòu)建的合成生物學(xué)系統(tǒng)來分別模擬“犧牲者-作弊者”，其中，“犧牲者”通過程序性死亡（Programmed cell death）釋放公共產(chǎn)物（Public goods），公共產(chǎn)物能夠有效降低環(huán)境壓力使幸存者存活；而“作弊者”既不產(chǎn)生公共產(chǎn)物也不進(jìn)行程序性死亡。然后，依托合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施和自主開發(fā)的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)流程（自動(dòng)化生物鑄造廠）精確控制兩者的初始比例、分散強(qiáng)度和環(huán)境壓力（Stress）等關(guān)鍵變量，系統(tǒng)性地評(píng)估了這些因素對(duì)自我犧牲行為的影響。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在一定環(huán)境壓力下，弱分散操作有利于“作弊者”的演化，而強(qiáng)分散操作更有利于“犧牲者”的演化，當(dāng)增加環(huán)境壓力（提高抗生素濃度）時(shí)，該演化結(jié)果更加明顯。這一結(jié)果與理論預(yù)測高度一致，表明定量合成生物學(xué)技術(shù)和高通量自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)流程的結(jié)合，可以有效驗(yàn)證復(fù)雜的演化生物學(xué)問題。
該研究拓展了演化生物學(xué)研究中經(jīng)典的群體選擇理論，揭示了強(qiáng)分散如何促進(jìn)自我犧牲行為的演化，為理解利他行為的演化機(jī)制提供了新的視角。同時(shí)，本研究展示了定量合成生物學(xué)與重大科技基礎(chǔ)設(shè)施在探索復(fù)雜演化現(xiàn)象中的巨大潛力。該發(fā)現(xiàn)不僅有助于解析自然界中極端利他行為的演化邏輯，還可能為生物膜控制、抗生素耐藥性治理等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域提供新的理論指導(dǎo)。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員黃術(shù)強(qiáng)和傅雄飛為本文共同通訊作者。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士生溫羚玲；中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員白陽為論文的共同第一作者。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“合成生物學(xué)”專項(xiàng)和中國科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目等支持。
文章上線截圖
圖1. 強(qiáng)分散促進(jìn)自我犧牲行為的演化。圖中展示了在強(qiáng)分散（Strong segregation）條件下，自我犧牲行為如何通過分散、增殖、加壓和合并四個(gè)步驟演化的過程。左側(cè)顯示，在強(qiáng)分散條件下，自我犧牲者的比例增加，表明自我犧牲行為更易被選擇；右側(cè)則顯示，在弱分散條件下，自我犧牲者的比例減小，表明自我犧牲行為逐漸消亡。
圖2 自動(dòng)化生物鑄造廠驗(yàn)證強(qiáng)分散下的自我犧牲行為演化。展示了使用生物工廠技術(shù)的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)流程，包括細(xì)胞密度測量、強(qiáng)稀釋、分離、培養(yǎng)和監(jiān)測等步驟。
附件下載：