黑色皇后假说

目前在药物实验中很多人用莱茵衣藻作为载体的原因是由于衣藻的全序列基因已经测通,为啥不用其他藻做测序呢?因为花费很巨大,藻类的基因组序列是人的300倍。基因组序列多为什么还低等呢?这里要提到一个黑色皇后假说!

黑色皇后假说

“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。
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:
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。
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。)
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:
像 “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。”

Write a comment