Le persone, i Sistemi e l'emergere di cooperazione in biofilm batterici
Partecipa, or Die. Benjamin Franklin / Pennsylvania Gazette (via Wikimedia Commons)
Quando il celebre autore e gentaglia-rouser Edward Abbey notoriamente ha dichiarato: "La crescita per il bene della crescita è l'ideologia delle cellule cancerose", egli non può essere realizzata solo come era giusto. Mentre questo intellettuale, fondatore di Earth First! parlava specificamente in merito alla logica di auto-distruttivo di despoiling l'ambiente del suo paese natio, Arizona per guadagno economico a breve termine, si scopre la sua preoccupazione è condivisa a più livelli di organizzazione sociale.
Una cellula tumorale può essere diverso da uccidere il suo ospite, quando un errore di trascrizione di moltiplicare le cause che, nonostante i segnali non dal suo ambiente esterno. Allo stesso modo, la teoria evolutiva è da tempo assunto, a seguito del lavoro di Thomas Malthus, che tutte le specie di tentativo di massimizzare il loro successo riproduttivo e crescere esponenzialmente la loro gamma. Questa sovrappopolazione risultati in una "lotta per l'esistenza" per le restanti risorse e, se andate unchecked, può tradursi in una massiccia tuffo nella popolazione o addirittura l'estinzione. Come risultato, ci arriva un punto in cui il perseguimento egoistico del singolo e la sopravvivenza di tutto il gruppo entra in conflitto. Gli esseri umani hanno dimostrato che siamo particolarmente abili ad aumentare la nostra crescita della popolazione, nonostante l'evidente danno per l'ambiente che ci sostiene, una tendenza che può essere in rotta di collisione con la realtà in un prossimo futuro.
Oltre a rappresentare il potenziale crollo di una specie, questo concetto dei singoli rispetto al gruppo rappresenta anche la cornice di uno dei più profondi interrogativi in biologia evolutiva: l'emergere di ordine dal caos. Perché le singole celle in zuppa primordiale organizzarsi in cooperativa sistemi stabile se potessero hanno rafforzato i loro egoistici obiettivi interamente a proprie spese? Perché organismi o addirittura intere società cooperare l'uno con l'altro se egoista defectors hanno il potenziale per far progredire se stessi a spese del gruppo? A che punto è diventato l'individualismo distruttivo e organizzazione cooperativa emergere?
Ora, un nuovo studio in peer-reviewed rivista The American Naturalist, da João Saverio, Esteban Martinez-Garcia e Kevin Foster del Centro di Sistemi di Biologia presso l'Università di Harvard, hanno costruito un modello di affrontare questa questione, al massimo livello di base di organizzazione biologica: batterica biofilm. Quello che ha trovato applicazioni potenziali di gran lunga al di là della limitata portata del loro studio.
I loro risultati mostrano che, nella tensione tra l'egoismo individuale e di risorse limitate, il più stabile strategia evolutiva è che lavorando insieme a limitare la crescita sostenibile, mentre la condivisione delle risorse tra tutti i membri della colonia risultati nel lungo termine il più grande successo. Poiché gli autori nel loro Stato astratto:
Ci presentano un modello meccanicistico di crescita delle cellule a una superficie, e ci mostra che la tensione tra la crescita e la competizione per nutrienti può spiegare come empiricamente osservato modelli emergono in biofilm. Abbiamo quindi applicare il nostro modello evolutivo di simulazioni e osservare che il mantenimento di modelli richiede la cooperazione tra le cellule.
Ci sono sempre state due metodi per la comprensione di cooperazione in materia di organizzazioni sociali: a livello di singoli che a livello di sistema. Behavioral biologi tipicamente studio strategie individuali e guardare cose come kin selection (parenti aiutare parenti), l'altruismo reciproco (tit per tat) o generalizzate reciprocità (A aiuta B B così aiuta C). In questo modo si può capire meglio il potenziale genetico modello che è stato selezionato come il risultato di pressioni evolutive. Attraverso le varie strategie di individui forma cooperativa obbligazioni, in modo da massimizzare il loro successo riproduttivo o quello dei loro parenti stretti. Attraverso queste decisioni individuali più elevato per le organizzazioni sociali emergere. Questo è il metodo più comune per la comprensione di organizzazione sociale ed è stato notevole successo per spiegare la maggior parte (anche se non tutti) gli esempi di cooperazione nel mondo naturale (per ulteriori informazioni su queste forme di cooperazione si veda il mio post qui e qui).
Sistemi di biologi, invece, si concentrano sulla stessa organizzazione sociale e cercano di capire le forze che modellano il modello di un sistema sociale, piuttosto che ciò che spinge le decisioni individuali. Un esempio di questa seconda categoria comprende l'organizzazione di percorsi di insetto foraggiamento. Come le formiche di ricerca per gli alimenti in modo casuale che lasciano dietro di loro sentieri feromone. Quasi per caso, un individuo formica verrà in una grande fonte di cibo (il tuo cestino picnic per esempio) e avrà inizio l'esecuzione alimenti alla sua colonia. Qualche tempo più tardi un altro ant sarà, ancora una volta quasi per caso, indipendentemente scoprire la stessa fonte alimentare e laici feromone proprio percorso su di lei sorella. Ogni volta che un altro ant stabilisce il proprio percorso sul tracciato esistente rafforza il segnale. Come rivoli approfondimento in ruscelli e nei fiumi più tardi, o il ripetuto lancio di singoli sinapsi rafforzamento in percorsi neurologiche, questo accumulo di feromone segnali diventa più forte e più radicata percorso che si sviluppa nella legione di formiche tutti i singoli che agiscono all'unisono. Di conseguenza, i singoli comportamenti casuali sono trasformato in un ordine superiore organizzazione sociale.
Sebbene sia biologici tradizioni stanno cercando di capire lo stesso risultato finale, la differenza fondamentale è che uno studio dei conflitti vs cooperazione tra gli individui, mentre gli altri studi le forze che modellano l'emergere di modelli sociali. Cosa Saverio e colleghi hanno ora dimostrato è che entrambe le tradizioni sono importanti per comprendere la formazione e la manutenzione delle organizzazioni cooperative. Per illustrare questo processo in azione hanno scelto un tema che poche specie potrebbe obiettare ha qualsiasi scelta individuale in tutte le decisioni che adottano nel suo complesso.
Bacterial biofilm sono le collezioni di celle individuali che in forma complessa, organizzata modelli immessi sul vetro quando all'interno di un mezzo liquido. Per capire come i batteri "scegliere" a cooperare, gli autori messo a punto un semplice esperimento utilizzando batteri Pseudomonas aeruginosa. Hanno iniziato mettendo cellule singole località a caso su un vetro coprioggetti che insieme occupato solo l'1% della superficie. In un primo momento i batteri comportata come previsto, dalla formazione di aggregati di piccole colonie circolare attorno ad ogni singola cella in quanto riprodotto. Tuttavia, poiché la popolazione è cresciuta e continua a nutrire la nutrienti disponibili vi venne presto un punto in cui non vi è stato un alto abbastanza concentrazione di nutrienti per sostenere il loro rapido tasso di crescita. Invece di mangiare rapidamente attraverso le risorse disponibili e in via di estinzione, la P. aeruginosa batteri fatto qualcosa piuttosto notevole. In risposta alla diminuzione delle risorse batteri formata in una stabile struttura labirintica, che gli autori chiamata diteggiatura, e limitato il loro tasso di riproduzione in base al livello di nutrienti disponibili. Invece di ottimizzare la propria crescita individuale a scapito di altri, i batteri sono rallentate e formata in una struttura efficiente che massimizzata la concentrazione di sostanze nutritive per il gruppo nel suo complesso. Incredibilmente, quando si trovano di fronte con una crisi ambientale, questi semplici batteri sono in qualche modo un sistema che sposta la loro strategia globale di cooperazione per l'egoismo.
Poiché gli autori spiega il fenomeno:
I due processi alla base del modello di formazione può anche essere caratterizzata come opposti effetti sociali. Considerando che il consumo di sostanze nutritive è un interazione concorrenziale, spingendo meccanica è cooperativa. . . Una delle principali conclusioni della nostra analisi è che i modelli nel nostro sistema derivano dalla stessa processi che sono stati fondamentali per l'evoluzione della cooperazione e di conflitto nei nostri precedenti modelli di biofilm: concorso regionale per le sostanze nutritive e di cooperazione di cellule spingendo in regioni ricche di sostanze nutritive .
Spatial pattern biofilm di Pseudomonas aeruginosa. Da Xavier et al. (2009)
Biofilm batterici sono collezioni di celle individuali che in forma complessa, organizzata modelli immessi sul vetro quando all'interno di un mezzo liquido. Per capire come i batteri "scegliere" a cooperare, gli autori messo a punto un semplice esperimento utilizzando batteri Pseudomonas aeruginosa. Hanno iniziato mettendo cellule singole località a caso su un vetro coprioggetti che insieme occupato solo l'1% della superficie. In un primo momento i batteri comportata come previsto, dalla formazione di aggregati di piccole colonie circolare attorno ad ogni singola cella in quanto riprodotto. Tuttavia, poiché la popolazione è cresciuta e continua a nutrire la nutrienti disponibili vi venne presto un punto in cui non vi è stato un alto abbastanza concentrazione di nutrienti per sostenere il loro rapido tasso di crescita. Invece di mangiare rapidamente attraverso le risorse disponibili e in via di estinzione, la P. aeruginosa batteri fatto qualcosa piuttosto notevole. In risposta alla diminuzione delle risorse batteri formata in una stabile struttura labirintica, che gli autori chiamata diteggiatura, e limitato il loro tasso di riproduzione in base al livello di nutrienti disponibili. Invece di ottimizzare la propria crescita individuale a scapito di altri, i batteri sono rallentate e formata in una struttura efficiente che massimizzata la concentrazione di sostanze nutritive per il gruppo nel suo complesso. Incredibilmente, quando si trovano di fronte con una crisi ambientale, questi semplici batteri sono in qualche modo un sistema che sposta la loro strategia globale di cooperazione per l'egoismo.
Poiché gli autori spiega il fenomeno:
I due processi alla base del modello di formazione può anche essere caratterizzata come opposti effetti sociali. Considerando che il consumo di sostanze nutritive è un interazione concorrenziale, spingendo meccanica è cooperativa. . . Una delle principali conclusioni della nostra analisi è che i modelli nel nostro sistema derivano dalla stessa processi che sono stati fondamentali per l'evoluzione della cooperazione e di conflitto nei nostri precedenti modelli di biofilm: concorso regionale per le sostanze nutritive e di cooperazione di cellule spingendo in regioni ricche di sostanze nutritive .
Batteri forma cooperativa strutture quando le risorse sono scarse. Da Xavier et al. (2009)
In altre parole, vi sono due importanti processi che spiegano questi modelli nel biofilm batterico: la competizione per le risorse e la cooperazione in colonia crescita. In primo luogo, le cellule hanno un influsso negativo su altre cellule che li circonda da vicino consumano sostanze nutritive e che rende più difficile per gli altri batteri di trovare cibo a sufficienza. Tuttavia, allo stesso tempo, le cellule sono regolarmente dividendo e spingere l'altro verso l'esterno per liberare spazio per la crescita delle colonie (o "spingere meccanico", come lo chiamano gli autori). Come risultato, le cellule che ricevono beneficio da una spinta che permette loro l'accesso in una zona di maggiore concentrazione di sostanze nutritive. Ma come funziona questa reciproca espansione combinato con le singole sostanze nutritive per l'esercizio fine a formare una struttura stabile e di cooperazione?
Per spiegare questo vorrei tornare alla mia precedente esempio di formica feromone sentieri. Immagina che il viaggio di ritorno dal tuo cestino picnic alla colonia devono attraversare su un marciapiede occupato. Vi siete mai chiesti perché ant sentieri nella città così spesso cadono lungo fessure nel pavimento o nel divario tra il cemento? Le formiche non ha certamente questo piano in anticipo. Essa si basa sul comportamento dei singoli contratti collettivi formiche e delle forze esterne che formano il risultato. Quando non ci sono solo un paio di formiche a seguito di un feromone percorso la probabilità che saranno calpestati da un casuale pedonale è abbastanza basso. Ma una volta migliaia di formiche iniziare l'attraversamento continuo avanti e indietro è vincolata ad accadere. Quando si fa il feromone sentiero è disturbata e le formiche devono adeguare le loro percorso, come un risultato. Dopo più di tali disturbi il percorso è prevista accidentalmente all'interno di una di queste lacune dove il sentiero delle formiche è ora protetto dal traffico piedi. Un sistema stabile è ora emerso senza un individuo responsabile per il suo sviluppo e nemmeno a capire come e perché funziona.
Un risultato simile può essere trovato se la P. aeruginosa sono batteri tutti spingendo verso l'esterno, come ogni altro si riproducono. I passaggi stretti emergenti all'interno del labirinto sono ciò che permettono il flusso di sostanze nutritive per i batteri, lungo tutti i lati della struttura. Tuttavia, quando il contratto collettivo meccanica spingere una delle cause labirinto di passaggi stretti, le cellule al suo interno può non avere abbastanza per riprodurre sostanze nutritive e la loro crescita lenta. Questo fa sì che il passaggio labirinto per espandere ancora una volta come le cellule muoiono naturalmente, un equilibrio che consenta di andata e ritorno. Come le colonie continuano ad espandersi verso l'esterno la loro struttura cooperativa resta intatto, ebbing e scorre lungo il gradiente di concentrazione di elementi nutritivi e la loro riproduzione uscita. Per quanto notevole, come può sembrare, complessi sistemi cooperativi sono il risultato finale di niente di più che il comportamento collettivo degli individui e delle forze esterne che formano il loro esito. L'ideologia della cellula tumorale non ha luogo in un sistema che cerca di massimizzare la sopravvivenza a lungo termine.
Edward Abbey di preoccupazione per il fatto che l'uomo si comporta in un irregolare e di auto-distruttivo modo può essere una rappresentazione accurata del nostro attuale tasso di crescita. Tuttavia, se il mondo è microbica qualsiasi guida, non sono affatto destinati a metastasi e portare l'intero ecosistema abbatte lungo con noi. In realtà, sociologi che hanno esaminato i conflitti internazionali su risorse idriche condivise hanno trovato che la cooperazione è la norma piuttosto che l'eccezione. Quando di fronte alla perdita di una risorsa fondamentale, il comportamento emergente sembra essere una struttura stabile basato sul mutuo vantaggio. È possibile che la specie umana è ora avvicinando a un livello di saturazione globale che la P. aeruginosa batteri sono stati costretti a rispondere al loro microhabitats. Riusciremo a rispondere allo stesso modo? In tal caso, la struttura organizzativa che si può realizzare in ultima analisi, è ancora nella sua fase iniziale di formazione. Trovare un modo di vivere sostenibile che conserva le nostre risorse collettive e allo stesso tempo mantiene le nostre esigenze individuali sarà l'ultimo compito di questa e di tutte le future generazioni. Anche se le prospettive sono certamente dire è un po 'rassicurante sapere che, mentre le nostre singole azioni continueranno ad essere importanti, non vi possono essere dei sistemi naturali in atto per contribuire a plasmare il risultato se siamo consapevoli che ciò accada o meno.
Riferimento:
Saverio, J., Martinez-Garcia, E., & Foster, K. (2009). Evoluzione del territorio sociale pattern batterica in biofilm: Quando Conflitto Drives Disorder L'American Naturalist, 174 (1), 1-12 DOI: 10.1086/599297