Altruistai klestėti dėl statistinio paradokso • Aleksandras Markovas • Mokslinės naujienos apie "Elementus" • Mikrobiologija, psichologija

Altruistai klesti dėl statistinio paradokso

E. coli Escherichia coli pagal prigimtį, nėra linkę į altruizmą, bet dėl ​​genetinės inžinerijos sėkmės ši kontrolė buvo ištaisyta. Nuotraukos iš anthropik.com

Amerikietiški mikrobiologai sukūrė pavyzdinę gyvybinių bakterijų sistemą, kurioje altruistiniai mikrobai gamina visai visuomenei naudingą medžiagą, galų gale naudingą, nepaisant to, kad kiekvienoje atskiroje populiacijoje jie praranda konkurenciją egoistiniams mikrobams. Altruistų klestėjimą užtikrina statistikos efektas, žinomas kaip "Simpsono paradoksas".

Klasikinės evoliuciniai modeliai apsvarstyti mechanizmų skaičių, siekiant užtikrinti, kad į "genų altruizmą" gyventojų tai yra, tie genai, kurie salygoja savo vežėjus elgesio žalingas sau, bet naudingų kitiems asmenims (žr. Straipsnį apie tai ant "elementas") . Žinomiausias ir geriausias sukūrė tris teorijas: giminės atranka (padeda artimiesiems sposobstvuesh skleisti savo genus), abipusis altruizmas (principas "tu man – aš"), ir netiesioginis abipusiškumas (altruistinis veikia kaip priemonę siekiant sustiprinti savo reputaciją ir socialinį statusą).

Ar egzistuoja tokios situacijos, kai nė vienas iš trijų išvardytų mechanizmų neveikia ir altruistai nei tiesiogiai, nei netiesiogiai negauna naudos iš savo altruizmo, tačiau altruizmas vis dėlto vystosi ir klestėja? Teoriškai tai yra gana įmanoma, kaip rodo tokie neįvykdyti evoliucijos teoretikai, kaip jų metu kalbėjo John Haldane ir William Hamiltonas. Net jei esant egoistui yra tikrai pelningesnė nei altruizmas, altruizmo plėtra gali atsirasti dėl naudos, kurią visi gyventojai gauna iš altruistų, kartu su keistu statistiniu efektu, kuris vadinamas "Simpsono paradoksu".

Dėl bendro šių dviejų veiksnių poveikio gali atsirasti situacija, kad intuityviai atrodo neįmanoma: "altruizmo genų" vežėjų procentas nuolat mažėja (altruistai visada praranda konkurenciją savo savanaudiškiems giminaičiams), tačiau, jei mes atsižvelgsime į visas populiacijas, tada visame pasaulyje altruistų procentas auga. "Simpsono paradokso" principas parodytas paveikslėlyje.

Hipotetinis "Simpsono paradokso" veiksmo pavyzdys.Pradinėje populiacijoje buvo 50% altruistų ir 50% egoistų (apskritimas viršutiniame kairiajame kampe) Ši populiacija buvo suskirstyta į tris subpopuliacijas su skirtingu altruistų ir egoistų santykiu (trys mažieji apskritimai viršutiniame dešiniajame kampe) Kiekvienos iš trijų pogrupių augimo metu altruizai buvo pralaimėjimai – jų procentas sumažėjo visais trimis atvejais. Tačiau tos subpopuliacijos, kuriose iš pradžių buvo daugiau altruistų, sustiprėjo dėl to, kad jie turėjo daugiau "socialiai naudingų produktų", kuriuos gamina altruizai (trys apskritimai apačioje dešinėje) Todėl, jei mes sujungsime tris išaugusias subpopuliacijas, pamatysime, kad "globalus" altruistų procentas išaugo (didelis ratas apačioje kairėje) p – altruistų dalis, w – gyventojų skaičius. Pav. iš aptariamo straipsnioMokslas

Gana sunku išbandyti šias teorines konstrukcijas praktikoje, nes kiekvienu konkrečiu atveju, kai pastebime "altruizmo genų" paplitimą natūraliose populiacijose, labai sunku įrodyti, kad nėra nei panašios atrankos, nei abipusiškumo, nei kitų nežinomų. Mes naudojame šio tipo gyvų organizmų altruizmą.

Norėdami sužinoti, ar vien tik Simpsono paradoksas gali užtikrinti altruistų klestėjimą mikrobų populiacijose, Amerikos biologai sukūrė įdomų gyvenimo modelį iš dviejų genetiškai modifikuotų E. coli kamienų.

Pirmojo iš dviejų štamų ("altruistų") genome buvo įterptas fermento, sintetinančio signalinę medžiagą N-acil-homoserino-laktono (AHL) sintetinamas genas, kurį naudojo kai kurie mikrobai cheminei "komunikacijai" tarpusavyje (žr. kvorumo jautrumas). Ši medžiaga lengvai praeina per ląstelių membraną ir prasiskverbia į aplinką.

Be to, prie abiejų štamų genomo, kuris atsparus antibiotikų chloramfenikoliui, buvo pridėtas fermento genas. Toks promotorius (reguliavimo seka) buvo "prijungtas" prie šio geno, kuris aktyvuoja geno darbą tik tuo atveju, jei AHL patenka į ląstelę iš išorės. Šis promotorius, taip pat kiti signalo perdavimo sistemos komponentai nuo AHL iki antibiotikų atsparumo geno, buvo pasiskolinti iš bakterijos Pseudomonas aeruginosa.

"Altruistai" taip pat gavo žalią šviesos baltymo geną, kad eksperimentai galėtų lengvai nustatyti altruizmo procentą gyventojų pagal jų švytėjimo intensyvumą."Egoistai" nesiskyrė nuo altruistų, išskyrus tai, kad jie neturėjo genų, reikalingų signalinės medžiagos sintezei ir žaliam šviesos baltymui.

Taigi, signalinė medžiaga, kurią išskiria tik altruizmai, yra reikalinga abiem kamienams, kad būtų sėkmingai auginamas antibiotiko buvimas. Naudos, gautos iš abiejų sluoksnių iš signalo medžiagos, yra vienodos, tačiau altruistai išleidžia išteklius savo gamybai, o egoistai gyvena jau paruoštuose.

Kadangi abi štamos buvo dirbtinai sukurtos pačių mokslininkų ir neturėjo evoliucinės istorijos, eksperimentai tikrai suprato, kad jų modelyje altruistų ir egoistų santykiai nėra "slapti gudrybės", o altruistai negavo papildomos naudos iš savo altruizmo. Beje, patys autoriai, jų nuomone, nenaudoja "antropomorfinių" sąvokų "altruistai" ir "egoistai", bet savo mikrobų vadina socialiai naudingu produktu "gamintojais" ir "neprofesionaliais". Tačiau populiariame pasakojime, mano nuomone, "antropomorfinės" terminologijos naudojimas padeda geriau suprasti klausimo esmę.

Aplinkoje, papildant antibiotiką, egoistų grynos kultūros, kaip galima tikėtis, augo blogiau nei grynos altruizmo kultūros (nes nesant signalizuojančios medžiagos egoistai liko nuo antibiotikų apsaugos geno). Tačiau jie pradėjo augti geriau nei altruizmai, kai tik terpėje buvo įpilta arba gyvų altruistų, arba išgryninto signalo medžiagos. Mišrios kultūros altruistai augo lėčiau, nes jie turėjo skirti papildomų lėšų AHL sintezei ir nenaudingam šviesos baltymui. Užtikrinant, kad modelių sistema veiktų pagal lūkesčius, mokslininkai pradėjo "Simpsono paradokso" modeliavimą.

Norėdami tai padaryti, jie įdėdavo 12 vamzdžių, kurių sudėtyje yra antibiotikas, dviejų skirtingų proporcijų (0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95 ir 100% altruizų) mišiniai, laukė 12 valandų, tada išmatuotas bakterijų skaičius ir altruizų procentas kiekviename mėgintuvėlyje. Paaiškėjo, kad visų mėgintuvėlių, išskyrus 1 ir 12, altruistų procentas gerokai sumažėjo. Taigi altruistai visais atvejais prarado konkurenciją su egoistais. Tačiau tų populiacijų dydis, kur iš pradžių buvo daugiau altruistų, išaugo žymiai stipresnis nei egoistai.Kai mokslininkai apibendrino mikrobų skaičių visuose 12 mėgintuvėlių, paaiškėjo, kad bendras altruistų procentas pastebimai išaugo: Simpsono paradoksas sėkmingai "dirbo".

Eksperimento rezultatai su 12 vamzdžių. Įvairios spalvos rodomi skirtingi replikacijos (eksperimentas kartojamas 21 karto). Išilgai horizontalios ašies – gyventojų altruistų procentas, vertikaliai – gyventojų augimo tempas. Kruopos parodyti altruistų dalį eksperimento pradžioje, horizontalių segmentų galas – altruistų dalis eksperimento pabaigoje. Galima pastebėti, kad: 1) visais atvejais altruistų dalis sumažėjo (visi segmentai nukreipti į kairę); 2) kuo daugiau buvo altruistų populiacijoje, tuo greičiau jis augo. Pav. iš aptariamo straipsnioMokslas

Tačiau gamtoje nė vienas sąmoningai nemąsto altruizų su egoistais skirtingomis proporcijomis ir sėdi juos mėgintuvėliuose. Koks natūralus procesas gali būti tokios procedūros analogas? Autoriai parodė, kad šis vaidmuo gali būti "kliūčių" – labai didelio gyventojų skaičiaus mažėjimo ir jos vėlesnio atkūrimo laikotarpiais. Tai gali atsirasti, pavyzdžiui, kai nauji substratai yra apgyvendinti labai nedaug "įkūrėjų" mikrobų.Jei steigėjų skaičius yra nedidelis, tuomet tarp jų dėl vien tiktai tikimybės gali padidėti altruistų procentas. Šią steigėjų grupę sudarantys gyventojai sparčiai augs, o kitos populiacijos, kurias įkuria egoistų dominuojančių mikrobų grupės, lėtai augs. Dėl to "Simpson" paradoksas užtikrins "globalios" altruistų dalies augimą kartu su visomis gyventojų grupėmis.

Siekiant įrodyti šio mechanizmo veiksmingumą, autoriai sumaišo altruistus su egoistais vienodomis dalimis, stipriai atskiedo gaunamą kultūrą ir pradėjo jį sėti į mėgintuvėlius (buvo panaudoti 288 mėgintuvėlių rinkiniai) skirtingų tūrių porcijomis, kurių kiekvienoje buvo apytikriai skaičius mikrobų. Porcijų dydis pasirodė esminiu veiksniu, nuo kurio priklauso altruistų likimas. Kaip tikėtasi, kai porcijos buvo didelės, Simpsono paradoksas nebuvo akivaizdus. Didžioji dalis, ty didelis pradinės kultūros pavyzdys, altruistų ir egoistų santykis pagal statistikos įstatymus negali labai skirtis nuo originalo, ty 1: 1. Populiacijos, kurių pagrindas yra šie mėginiai, auga maždaug tokiu pat greičiu, o altruizmai ne tik atskirai, bet ir visose populiacijose.

Tačiau, jei porcijos buvo tokios mažos, kad kiekvienoje buvo tik kelios bakterijos, tada tarp šių dalių buvo tikrai tos, kuriose altruistai staigiai dominavo. Tokios steigimo grupės sukėlė sparčiai augančias kolonijas, todėl padidėjo bendras visų altruistų procentas. Kaip paaiškėjo, norint Simpsono efekto pasireikšti esant tam tikroms sąlygoms (pradinis santykis 1: 1, 288 vamzdelių), būtina, kad steigėjų grupės vidutinis mikrobų skaičius būtų ne didesnis kaip 10.

Autoriai taip pat parodė, kad, pakartodama šią veiksmų seka keletą kartų (kultūros praskiedimas, nusėdimas mažose grupėse iš 288 vamzdžių, augimas, populiacijų sujungimas į vieną, vėl skiedimas ir kt.) Galima pasiekti savavališkai didelį altruistų procentą kultūroje. Vienu iš eksperimentų jie pradėjo su mišiniu, kuriame buvo tik 10% altruistų, o tik po 5 praskiedimo ir nusodinimo ciklų jų dalis buvo 95%.

Autoriai atkreipia dėmesį į kitą sąlygą, reikalingą "altruizmo genų" pasiskirstymui jų modelio sistemoje: neturėtų būti leidžiama pernelyg ilgai augti mišrioms populiacijoms.Praskiedimas ir persikėlimas turėtų būti atliekami prieš augant populiacijoms pasiekti stabilų skaičių, tirpinant visą maistinę terpę bandymo mėgintuvėlyje, nes tada skaičių lygio skirtumai tarp populiacijų, turinčių skirtingą altruistų procentą, iš esmės yra išlyginti, o Simpsono paradoksas negali pasireikšti.

Taigi natūrali atranka, veikianti lygiagrečiai dviem lygmenimis – individas ir gyventojai tam tikromis sąlygomis, gali užtikrinti altruizmo plėtrą, net jei kiekvienoje atskiroje populiacijoje jis teikia pirmenybę egoistai, o altruistai smerkia laipsnišką išnykimą.

Šaltinis: John S. Chuang, Olivier Rivoire, Stanislas Leibler. Simpsono paradoksas sintetinėje mikrobinėje sistemoje // Mokslas. 2009. V. 323. P. 272-275.

Aleksandras Markovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: