成就群體的細胞性黏菌,如何對付叛徒!

科學家對細胞性黏菌的研究,揭露了群體選擇和親屬選擇可能併行。

撰文|許翠庭

 

來源:Ernst Haeckel 1904

 

● 讓達爾文百思不得其解的利他行為之謎
普羅大眾對自然選擇(natural selection)的理解,一般都不脫「物競天擇,適者生存」這八個字的箴言,彷彿「自私」才是生存的鐵律。然而,放眼大自然生物世界,犧牲自己、成全別人的利他行為,其實相當常見。從微小的螞蟻無私的奉獻女王,到人類犧牲自己為國家作戰,利他行為的例子層出不窮。
 
自然選擇的提出者達爾文知道,他必須為這個現象提出一個合理的解釋,才能說服大眾「自然選擇」是有效的。他說:「自然選擇可以在多個層次上進行,除了不適應環境的「個體」之外,不適應環境的「群體」也是天擇淘汰的對象。」假設現在有兩個族群,其中一個族群人人都懂得互相合作利他,另一個族群則是每個個體都自私自利,那麼,懂得合作利他的族群可能被自然選擇保留下來的機率更高,自私自利的族群則可能因為內耗而被淘汰,概念就跟不適應環境的個體會被淘汰一樣,這個理論被稱為「群體選擇(group selection)」。
 
然而,群體選擇也有它的破綻。一個人人都奉行利他主義的社會其實是相當脆弱的,只要有一個突變或是外來的自私個體,這個自私的個體就會占盡所有的好處,繁衍更多的後代,而這些後代也都像他們的父母一樣自私。久而久之,合作的群體也會變成自私的群體。
 
既然這樣,那利他的群體是如何維持穩定的呢?漢彌頓(W D Hamilton)認為,個體會犧牲自己保護自己的親屬。由於親屬之間含有相同的基因,因此犧牲自己、保護親屬的行為,也會被天擇保留下來。這個理論被稱為「親屬選擇(Kin selection)」。

長久以來,群體選擇和親屬選擇被視為對立的理論。那麼,這兩種理論真的不會並存嗎?答案可能就出在不起眼的小生物──黏菌身上。

 
● 捨己為人的細胞性黏菌
過去的人們都以為黏菌屬於真菌,但後來發現它們其實不是真菌,而是一群沒有共同祖先,但生活型態相似的原生生物。黏菌分成兩種:原生質體黏菌(plasmodial slime molds)和細胞性黏菌(cellular slime molds)。其中,原生質體黏菌平時是一團肉眼可見的多核細胞質,會到處爬動尋找食物,到了要繁殖時會長出頂端有孢子囊的子實體,並散發出孢子;細胞性黏菌平時則是單細胞狀態,各自四處覓食,到了要繁殖時,會散發出化學訊號,把各處的單細胞集合起來,組合成一隻有點像蛞蝓的多細胞生物。這隻「類蛞蝓」會爬到適宜繁殖的地方,然後變形、長出一個有柄的孢子囊,散佈更多的黏菌孢子。
 

原生質體黏菌|來源:wikipedia

 

我們今天的主角就是後者──細胞性黏菌。每一個單細胞的細胞性黏菌,都有其各自的基因,都想把基因傳衍下去。然而,集合起來成為多細胞生物的黏菌成為孢子囊以後,卻只有有幸成為孢子的黏菌細胞能繁衍後代,成為柄和孢子囊的細胞,只能默默乾枯死去。
 
聽起來好像是很偉大的情操,對不對?但是,其實,黏菌當中也是有叛徒的。
 

● 黏菌:「我們中出了背叛者。」
英國牛津大學的桑托瑞里(Lorenzo A Santorelli)和他的團隊發現,細胞性黏菌Dictyostelium discoideum有一種「作弊基因」,稱為chtB基因。擁有chtB基因的黏菌會抑制其他黏菌成為孢子的潛力,好讓自己能成為孢子。有了這種無良的成員在群體裡,誠實的普通黏菌們變成孢子的機率就大大降低了。
 
看到這裡,你有沒有覺得很奇怪,為什麼不含chtB基因的普通黏菌還沒有滅絕呢?
 
其實,普通黏菌也是有手段可以對付含有chtB基因的作弊黏菌的。根據美國亞歷桑納大學的哈德森(Richard Ellis Hudson)和他的團隊的研究顯示,普通黏菌也會分泌化學物質,來抑制作弊黏菌的發展。更重要的是,集合成同一隻多細胞「類蛞蝓」的黏菌們,彼此之間其實是有親緣關係的。也就是說,當作弊黏菌變成孢子散布出去時,也順便散佈了普通黏菌的基因。黏菌受到群體選擇的同時,也受到親屬選擇的影響。
 
所以,黏菌的故事告訴我們,群體選擇和親屬選擇是有可能並存的。小小的黏菌中,也含有生物演化的奧秘呢。

 

參考資料

  1. Hudson et al. The American Naturalist. 2001. Altruism, Cheating, and Anticheater Adaptations in Cellular Slime Molds.
  2. Santorelli et al. BMC Ecology and Evolution. 2013. A new social gene in Dictyostelium discoideum, chtB
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