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生物学家杰夫•莫里斯提出的”黑色皇后假说”: 不同的物种争相”堕落”!

2012-4-23 23:17| 发布者: scientist| 查看: 901| 评论: 0|原作者: Robert T. Gonzalez|来自: Researchers describe a new evolutionary theory: The Black Queen Hypothesis

摘要: 生物是如何发展到了今天这一步,除了著名的“红色皇后假说” ,还有 “黑色皇后假说”:不同的物种争相“堕落”,尽可能摆脱那些代价高昂的生理功能——生物不是越来越复杂,而是越来越简单。“黑色皇后假说”说明, ...

 

 生物是如何发展到了今天这一步,除了著名的“红色皇后假说” ,还有 “黑色皇后假说”:不同的物种争相“堕落”,尽可能摆脱那些代价高昂的生理功能——生物不是越来越复杂,而是越来越简单。“黑色皇后假说”说明,懒,也许真的是天生的。

(文 / Robert T. Gonzalez)原绿球藻属(Prochlorococcus sp.)的细菌,是这世界上最柔弱的生物之一。如果让这些微生物自力更生,恐怕它们连保住小命都困难。这看起来非常不可思议,因为它们可是世上数量最多的光合生物。

在漫长的演化过程中,这些细菌显然一副 “成功人士” 的样子。它们慢慢地失去了分解过氧化氢(H2O2 )等有毒物质的能力,让别的生物替自己做这些 “粗活儿” 。这样的种间关系在自然界中非常普遍,但我们有时候搞不清楚这些关系最早是如何形成的。现在,研究者提出了一种新的演化理论,帮助解释这种依赖性是如何形成的。他们把这个理论称为 “黑色皇后假说”(The Black Queen Hypothesis),而这个理论本身就跟它的名字一样,非常巧妙。

 

演化理论: 黑色皇后 vs. 红色皇后

 

对很多人来说,演化意味着生物的复杂性越来越高,但自然界里有很多生物其实并不按照这个套路出牌,它们越演化生物复杂性便越低。科学家把这种现象称为 “退行性演化”。

退行性演化的现象常常能在寄生生物中观察到。比如,在你身体里面扭来扭去的绦虫。它靠皮肤吸收生存所需的全部营养物质,根本不需要消化道。毕竟,保留一个非必需的生理功能,所需的能量成本是很高的。对绦虫来说,把消化道统统扔掉,绝对是百利而无一害。

在各种寄生细菌中,你也可以观察到类似的演化过程,假如周围有寄主能处理一些 “生活琐事”,这些细菌便会把这些代谢功能和它们体内的相关基因统统丢弃。导致这种退行性演化的最常见的原因,是生物学家所说的 “遗传漂变”。所谓遗传漂变,就是由于一个物种中的部分生物与其它同类相隔绝,且个体数量很少,造成这个种群中的随机遗传突变的频率升高。

寄生生活的两个特征,正是与世隔绝和个体数量少。但是,生物学家明确地将原绿球藻属的生物划为自养细菌,这意味着它们跟寄生一点边儿都不沾。那么,这些细菌的生存,究竟是如何变得这样依赖其它微生物呢?

这个问题的答案,就在生物学家杰夫•莫里斯(Jeff Morris)提出的 “黑色皇后假说” 中。他和同事在最新一期的《微生物》中,详细解释了这个新奇进化理论背后的逻辑。

“黑色皇后假说”中的黑色皇后,指的是扑克游戏中的一张牌,也就是红心大战中的黑桃 Q

这个游戏的目的是尽量少得分。然而,黑桃 Q 这一张牌的分数,与其他所有牌的总分相同,

因此,在红心大战中取胜的关键是不要得到这张牌。

 

回到生物演化上来。黑色皇后假说将某些基因,或者更笼统地说, 将某些生理功能,类比为黑桃皇后这张牌。维持这些生理功能会消耗很多能量, 因而生物并不倾向于保留它们,这导致废弃这类功能的生物在自然选择中具有优势。同时, 这类功能也得有一个不可或缺的作用——公共利益, 它能迫使群体中至少有一小搓个体,将此功能保留下来。毕竟,缺了黑桃

 

皇后这张牌,红心大战也玩不起来。

 

我们再来看原绿球藻属的这个故事。维持整个种群生存的那些个体,提供的 “公共利益” 就是分解有毒的过氧化氢(H2O2 )。生物学家把这个叫做 “漏” 遗传功能——保留了这个生物学功能的个体,能让周围的任何生物都从中获益。

黑色皇后假说所导致的结果,听起来跟上文提到的寄生关系非常相似,这没什么好奇怪的,那是因为它们本来差别就不大。不过二者还是有两点重要的不同之处:

1.      黑色皇后假说中,退行性演化并不是由遗传漂变(也就是偶然事件)导致的,而是自然选择的结果。只要失去一个基因的利(这个利是由周围的其它“漏”生物带来的)大于弊,这个基因的丢失会继续在整个种群中扩散。

2.      黑色皇后假说丝毫没有表明,保留了 “漏” 遗传功能的生物自身适合度下降。但在寄生生物与寄主的关系中,寄主的适合度显然是下降了。

这两点是微妙却十分重要的差异。大多数人对寄生的概念并不陌生,寄生关系中,寄生者受益而寄主受害。很多人也熟悉共生的概念,在共生关系里,不同的两种生物均能从中获益。寄生和共生都是种间关系的一种形式。(人们对其他的种间关系并不熟悉,比如共栖,即两种共居的生物中,一方受益,另一方也受益或不受伤害。想全方位了解种间关系,请点击 这里 。)

莫里斯解释说,真正的问题在于,不同形式的种间关系到底是怎么出现的。他说,黑色皇后假说的意义不在于描述一种形式的种间关系,其意义在于解释这些关系是如何演化的:

“红色皇后假说”(红色皇后假说,阐述了捕食者与猎物、寄主与寄生生物之间,双方如何进行 “军备竞赛”)一样,  黑色皇后假说可以导致 3 种主要种间关系类型中的任何一个,即寄生、 共栖和互利共生。 种间关系最终会演变为其中的哪一种,完全取决于生物生长和相互影响的具体情况。  二者之间的区别在于,红色皇后假说的重点, 是解释一种 “主动” 的演化,你可以将这个过程想象为,不同物种竞相获得能让自己胜过竞争者或捕食者的能力。

 

相较而言,黑色皇后假说讲述的是一个被动得多的过程。“不同的物种争相 ‘堕落’,它们都尽可能多地摆脱那些代价高昂的生理功能。”莫里斯说。

 

“黑色皇后假说里尽是些反其 ‘道’ 而为之的事——摒弃复杂性。人们通常觉得,生物是在进化的,而身体越来越简单显然是与此相反的退化。”

 

 

文章来源:        Researchers describe a new evolutionary theory: The Black Queen Hypothesis

原文信息:        原文刊于 io9.com 科技频道 2012 3 28

作者 Robert T. Gonzalez

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