«Переводы»: Могут ли микробы быть причиной альтруизма?
Паразиты и их альтруистичные носители
Паразиты находятся в списке самых умелых манипуляторов, какие только существуют в царстве природы и одной из их «специальностей» является мотивация своих носителей на совершение безрассудных действий, которые включают даже иррациональное акты самовредительства. Так, Toxoplasma gondii заставляет мышей самих искать кошек, чтобы те их съели, а печёночная двуустка Dicrocoelium dendriticum заставляет муравьев забираться на листья травы, где они и попадают на обед коровам или овцам.
Spinochordodes tellinii – это гельминт, «благодаря» которому сверчки буквально топятся и все ради того, чтобы паразит получил доступ к воде, необходимой ему для размножения. Самопожертвование не приносит носителям никакой пользы, но следует скрытому плану паразитов и позволяет им завершить свой собственный жизненный цикл.
В последнее время исследователи заинтересовались вопросом, могут ли манипуляции паразитов поощрять поведение носителей, которое можно охарактеризовать, скорее, как самоотверженное, а не как самоубийственное. Возможно ли такое, что микробы имеют фундаментальное влияние на многие аспекты альтруистического поведения животных в отношении себе подобных?
Альтруизм кажется легко оправдать с позиций этики или стратегии, но объяснение того, как он смог выстоять в мире, где выживает сильнейший, было одной из сложнейших проблем для теоретиков эволюции еще со времен Дарвина. Если микробы в кишечнике и других тканях на самом деле могут заставлять своих носителей быть щедрыми для достижения своих целей, то альтруизм кажется не таким уж загадочным явлением.
Не так давно созданная математическая модель и связанные с ней компьютерные симуляции, проведенные тройкой ученых из Университета Тель-Авива, возможно, могут доказать эту теорию. Исследователи продемонстрировали, что микробы, которые стимулировали альтруизм в своих носителях, побеждали в борьбе за существование своих собратьев такого типа поведения не стимулировавших. В результате этого постепенно альтруизм становился стабильной чертой популяции носителей. Статья по данному исследованию была опубликована в этом году в журнале Nature Communication.
Печеночная двуустка, Dicrocoelium dendriticum, проводит часть своего жизненного цикла в кишечнике травоядных млекопитающих. На раннем этапе она попадает в организм муравьев и заставляет их сидеть на листьях травы, что повышает шансы на то, что травоядное животное съест вместе с травой муравья и паразита. Такие примеры наглядно показывают мастерство некоторых паразитов в искусстве манипуляции.
«Эта история захватывает дух, ведь мы не думаем об альтруизме в терминах отношения хозяин-микробиота», говорит Джон Биненшток, биолог из Университета Макмастера, Гамильтон, Онтарио, а также директор Института мозга и тела в Центре здравоохранения г. Гамильтон, сам, однако, не принимал участие в работе по проведению симуляции.
«Нельзя просто игнорировать возможное влияние того, чем в данный момент занимается ваша популяция микроорганизмов».
Даже когда Дарвин развивал свою теорию, согласно которой сильнейшие и самые приспособленные индивиды в популяции имеют наибольшие шансы контролировать ресурсы и оставить потомство, он признавал, что альтруизм не так просто объяснить. «Чрезвычайно сомнительно, что потомство наиболее сострадательных и добрых родителей… будет более многочисленным, чем потомство эгоистичных и коварных родителей», писал он в своей книге «Происхождение человека».
Дарвин предположил, что альтруизм может выжить как тип поведения, если совместные действия отдельных индивидов, то есть их сотрудничество, дает коллективное преимущество их родной группе. Приспособленность целой группы, в таком случае, может повыситься, что даст ей преимущество, по сравнению с группами, составленными из более эгоистичных членов. Такая модель «группового отбора» в дальнейшем была развита рядом ученых и среди ее приверженцев были такие влиятельные личности, например, знаменитый натуралист Конрад Лоренц.
Но в 1960-х годах работа влиятельных теоретиков эволюции, таких как Джон Мэйнард Смит и Джордж С. Вильямс, нанесла ощутительный удар по этой концепции, показав, что альтруизм сложно поддерживать в контексте эволюции. Эгоистичные индивиды все равно будут появляться спонтанно и будут иметь более многочисленное потомство, вытесняя щедрых членов вида и гарантируя выживание эгоизма.
Биолог Вильям Д. Гамильтон предпринял последнюю попытку спасти эту идею в 1964 году, когда предположил наличие стратегии, которую Мэйнард Смит окрестил «семейным отбором». Гамильтон предположил, что альтруизм может существовать, если действия самоотверженного индивида, позволяют членам его семьи передать дальше достаточно общих генов для компенсации уменьшения потомства самого альтруистичного индивида.
Данный принцип отражен в формуле, называемой правилом Гамильтона (C < rB), которая гласит, что если цена, которую платит самоотверженный индивид (С) меньше произведения пользы тому, кому он помогает, (В) на их генетическое родство (r), то альтруизм будет господствующим типом поведения в популяции.
Пары огненных муравьев вместе переносят зерна риса в свою колонию. Кооперативное поведение муравьев укоренено в том преимуществе, которое оно дает им в рамках семейного отбора, сформировавшего эволюцию данных насекомых: муравьи-рабочие женского пола передают больше своих генов следующему поколению, помогая откладывающей яйца матке, чем при откладывании своих собственных яиц.
Правило Гамильтона объясняет, почему среди пчел и муравьев так развито альтруистическое поведение, ведь именно этих насекомых мы называем социальными. По причине капризов их гаплоидно-диплоидной генетики, рабочие муравьи женского пола имеют больше общих генов со своими сестрами, чем со своим потомством, поэтому, с точки зрения конкуренции, им целесообразно пожертвовать своей собственной плодовитостью и помочь королеве матке дать жизнь большему количеству своих сестер.
Однако, значение этого фактора менее понятно, когда речь идет других животных. Генетику Дж. Б. С. Холдейну, который исследовал начальные концепции семейного отбора в 1930-х годах, приписывается шутка, что он-де, как человеческое существо, отдал бы жизнь за двух родных или восемь двоюродных братьев.
Семейный отбор – это один из примеров теорий «совокупной приспособленности», бывшие выдвинуты для объяснения альтруизма в 1970-х годах. Теории «многоуровневого отбора», включающие формы группового отбора, не так давно пережили что-то вроде возрождения: есть определенный круг биологов, поддерживающих их, но они все еще остаются спорными.
И все равно, когда разговор заходит об альтруизме, «существует много объяснений, но он остается загадочным», говорит Охад Левин-Эпштейн, эволюционный биолог и программист из Университета Тель-Авива. В качестве студента в биологической лаборатории Лилах Хадани, Охад принял участие в исследовании того, как кооперация среди членов популяции может влиять на эволюцию новых черт.
Группа ученых пришла к выводу, что классические объяснения эволюции кооперации не отвечают на все вопросы. Хадани и Левин-Эпштейн, вместе с Ранит Ахаронов, специалистом по компьютерам и представителем компании IBM Research в Тель-авивском университете, задались вопросом, могут ли микробы манипулировать своими носителями таким образом, чтобы мотивировать их помогать другим.
Исследователи из столицы Израиля хотели обозначить контекст и придать фокус идее, которая уже обсуждается в течение некоторого времени, а именно: могут ли передающиеся, «вторгающиеся извне», факторы стимулировать альтруизм? В 2013 году Зорха Макгинти (Sorcha McGinty), тогда работавшая в качестве биолога в Цюрихском университете, и ее коллеги создали компьютерную модель, демонстрировавшую, что плазмиды – гены, которые переходят от одной бактерии к другой – помогают стимулировать эволюцию кооперации в сообществах бактерий.
Математика и паразиты
В 2015 году группа ученых Парижского Университета имени Декарта экспериментально доказала, что, когда бактерии обмениваются определенными плазмидами, эти плазмиды перепрограммируют принимающую их бактерию и вводят генетическую информацию, заставляющую их «трудиться» во имя общего блага. Бактерии секретируют протеины, которые разрушают антибиотики рядом с ними, и эта стратегия защищает всю колонию. В случае Левин-Эпштейн и Хадани, эти результаты поставили вопрос о том, могут ли микробы или паразиты, передвигающиеся между многоклеточными носителями, также способствовать кооперации.
Слева направо: Лилах Хадани, Охад Левин-Эпштейн из Тель-авивского университета, и Ранит Ахаронов из IBM Research использовали математическую модель и компьютерные симуляции, чтобы исследовать эволюционную приспособленность гипотетического паразитического микроорганизма, который стимулировал в своих носителях альтруизм.
Для того, чтобы исследовать данный вопрос как можно глубже, тель-авивская группа создала математическую модель и компьютерную симуляцию, призванные проанализировать взаимодействия между членами популяции на протяжении жизни сотен (в некоторых случаях, даже тысяч) поколений. Модель подразумевала, что альтруистичные члены несли некоторые потери в плане приспособленности, когда они взаимодействовали с другими, в то время как адресаты альтруистических действий получали пользу. Левин-Эпштейн отмечает, что они использовали понятие альтруизма в самом широком смысле и самоотверженность простиралась от незначительных уступок до высшего уровня самопожертвования.
В рамках симуляции исследователи «столкнули» в состязании друг с другом два типа виртуальных микробов. Один тип микробов стимулировал альтруизм у своих носителей, в то время как другой – нет. В рамках каждого поколения, индивиды взаимодействовали таким образом, который позволял им переходить от одного носителя к другому, также микробы каждого индивида передавались его потомству.
На протяжении «жизни» поколений микробы, стимулировавшие альтруизм, одерживали победу над своими «противниками», причем как в случае передачи от одного носителя к другому, так и при передаче от отдельного индивида его потомству. Это оказывалось верным, даже если популяция «проальтруистичных» микробов была в начале очень маленькой. Носители микробов, стимулирующих альтруизм, были более приспособленными с той точки зрения, что они получали пользу от щедрости других носителей и были способны приносить больше потомства, которое тоже становилось носителем данного микроба.
К концу симуляции, популяция носителей состояла, по преимуществу, из индивидов, зараженных микробом, стимулирующим альтруизм – в некоторых сценариях, 100 процентов носителей оказывались зараженными данным микробом. Этот результат приводил к стабильному проявлению альтруистичного поведения в популяции. Стабильный уровень альтруизма сохранялся даже при наличии эгоистичных носителей, отказывавшихся платить услугой на услугу. Математические модели и симуляции также продемонстрировали, что альтруизм, «передающийся» микробами, в конечном итоге становился более стабильным в популяции носителей, чем генетически подкрепленная самоотверженность
«Предшествующие работы рассматривали альтруизм только с точки зрения носителя», говорит Хадани – «В то время как классические модели могут объяснить эволюцию альтруизма только при определенных обстоятельствах, данная теория объясняет ее в более широких условиях». Эндрю Мёллер, эволюционный биолог из Калифорнийского университета, Беркли, изучающий микробиоту кишечника, отмечает, что полученные результаты делают необходимыми дальнейшие исследования: «Микробы могут влиять на поведение своих животных-носителей, поэтому можно представить, что они также в состоянии стимулировать альтруистическое поведение».
Также проводились некоторые исследования, имевшие задачей изучение средств, с помощью которых микробы могут контролировать функционирование мозга хозяина и его социальное поведение. К примеру, Элайн Хсиао, биолог из Калифорнийского университета, Лос-Анджелес, не так давно обнаружила, что микробы в здоровой прямой кишке стимулируют клетки кишечника производить серотонин, циркулирующий затем в крови. Серотонин влияет на тонус мышц кишечника, но также является нейротрансмиттером, на котором основаны такие лекарства как Прозак, облегчающие симптомы тревожности и депрессии.
Некоторые виды бактерий группы Clostridium оказались способны стимулировать производство нейротрансмиттера серотонина клетками кишечника. В принципе, это может быть именно тем средством, с помощью которого кишечные паразиты могут влиять на ментальное состояние хозяина (хотя этот эффект еще не был продемонстрирован экспериментально).
В соответствии с данными, полученными в рамках исследований на животных, кишечная флора может изменять нервную и эндокринную функцию хозяина таким образом, чтобы менять его социальное поведение. В рамках исследования, проведенного в Университете Макмастера в 2014 году, студент изучающий поведение животных Исвария Вену, обнаружил, что личинок фруктовых мух привлекают летучие химические соединения, которые производятся бактериями в их кишечнике; такой запах может привлекать личинок друг к другу.
Такая манипуляция может принести пользу бактериям, перемещая их ближе к новым потенциальным носителям. Связь между микробиотой хозяина и его поведением известна как «ось микрофлора-кишечник-мозг». Сокращенно – ось «кишечник-мозг». Возможно, хотя еще и не доказано, что производимые микробами соединения могут влиять на процессы в нервной системе, стимулирующие импульсы самоотверженности.
Журнал Nature Communication поднял также еще один вопрос: может ли присутствие стимулирующих альтруизм микробов дать начало эволюционной гонке вооружений между микробами и их носителями? В конце концов, в интересах носителя любой ценой сопротивляться манипуляции со стороны микробов: такое сопротивление будет означать, что хозяин сохранит больше ресурсов для себя, повышая свои шансы на выживание. «Если у хозяина есть мутация, которая позволяет ему сопротивляться манипуляциям со стороны микробов, хозяин может начать вести себя менее альтруистично», говорит Хадани.
Однако, добавляет она, микробы могут ответить, находя новые способы манипуляции хозяином, или даже заключив с ним «обоюдовыгодную сделку»: «К примеру, может эволюционировать новый микроб, распространиться в популяции, и польза для микроба будет означать пользу и для хозяина». Но, вне зависимости от того, кто получает больше пользы, микробы все равно обставляют своих хозяев в одном важном отношении, говорит она:
«Поколения микробов сменяются гораздо быстрее, поэтому у них есть эволюционное преимущество».
И что же в итоге с альтруизмом?
Если теория Хадани и Левин-Эпштейна выдержат проверку практикой, это может иметь огромное влияние на подход к медицинским вмешательствам, которые влияют на микрофлору кишечника. При условии, что микробы влияют на социальное поведение, такое как альтруизм, то, предпринимая действия, изменяющие микробный баланс в организме – принимая антибиотики или пробиотики – мы потенциально можем изменить наше отношение друг к другу, усиливая или уменьшая уровень манипуляции, который является частью нормального поведения. Что произойдет, например, если одной группе субъектов давать сильные антибиотики, а другую оставить без лекарства? Будет ли группа, принимавшая медикаменты и освободившаяся от манипуляций со стороны микробов, более эгоистичной, чем та, в которой люди не получали антибиотиков?
Начальные экспериментальные результаты указывают, по крайней мере, на некоторую связь между приемом антибиотиков и социальным поведением. Биненшток, в рамках своего исследования, подверг некоторое число мышей воздействию антибиотиков, сначала до их рождения (in utero), а затем некоторое время спустя после рождения. Оказалось, что такие мыши демонстрировали пониженные уровни социализации и более высокий уровень агрессии, чем мыши в контрольной группе, не подвергавшиеся воздействию антибиотиков.
Биненшток опубликовал отчет по своему исследованию в апреле 2017 года. Автор отметил, что необходимы дальнейшие исследования для выяснения причинно-следственной связи, так как возможно, что такие результаты были получены по причине прямого влияния антибиотиков на мозг или других эффектов, которые они могли иметь на развитие. Но Биненшток также отмечает: «есть высокая вероятность, что это связано с (кишечными) бактериями, которые производят материалы, необходимые мозгу». Когда наблюдается дефицит таких биологических строительных блоков, полагает он, нормальные социальные программы мозга функционируют не на оптимальном уровне – что может, по крайней мере, в теории, стать причиной более эгоистического поведения.
Но, хотя Биненшток с коллегами и рассматривали влияние антибиотиков на социальные навыки мышей, они не оценивали особого эффекта антибиотиков на альтруизм. Следующим логическим шагом, говорит Арнон Лотем, эколог-бихевиорист из Тель-авивского университета, должно стать проведение эксперимента, способного помочь определить, демонстрируют ли животные повышенное или пониженное желание помогать другим под воздействием антибиотиков. (Лотем не принимает участие в исследовании Левин-Эпштейна и Хадани.)
Исследование должно быть также проведено на субъектах разных возрастов, чтобы определить является ли «эгоистический эффект» наиболее сильным на определенном этапе жизни. «Возможно, ничего не произойдет – это может оказаться просто очередной многообещающей идеей, которая не выдержала проверку», говорит Лотем. Но добавляет, что, если эта теория окажется правдивой, «это будет изумительно».
Хадани и ее коллеги уже начали работу над проверкой своей теории в лаборатории, оценивая то, как антибиотики влияют на поведение социальных насекомых. «Наше общее предположение по данной модели гласит, что прием медикаментов, которые сильно изменяет состав микрофлоры, может понизить тенденцию к альтруистичному поведению», говорит Хадани. Она также предполагает, что межвидовая передача микробов – от собак к человеку, скажем, или наоборот – могла сильно повлиять на межвидовой альтруизм и это еще одно утверждение, нуждающееся в проверке с использованием модельных исследований на животных.
Если наши фундаментальные решения относительно того, как относиться к другим, управляются незримым «серым кардиналом» в виде микробов, то дальнейшие открытия только добавят глубины и сложности в наше понимание самоотверженности. Биненшток отмечает, что доказательство наличия влияния микробов на поведение носителей может поставить с ног на голову все наши предположения относительно контроля, который мы имеем над нашими мыслями и действиями.
«Каждый единичный организм связан с бактериями, вирусами и так далее», говорит он. «Нельзя исследовать альтруизм, не исследуя индивида, его проявляющего, как носителя микроорганизмов». Хадани говорит, что это исследование изменило ее представления о свободе воли. «Когда я что-то делаю, теперь я всегда спрашиваю себя: это я так себя веду, потому что хочу, или во всем виноваты мои микробы?»
Автор оригинала: Elizabeth Svobod