细菌的正义行为揭示自然如何对抗“不劳而获者”

公共资源两难困境，是地球有史以来的一个中心问题。单细胞以基因集体的形式出现，多细胞生物体以细胞集体的形式出现，社会以多细胞生物体的集体形式出现。在每种复杂的转变中，一直都存在‘单个成员以总体的利益为代价追求其自身利益’的剥削威胁。阐明剥削是如何被避免的，对于理解生命如何采取今天继续存在的各种形式，将非常的关键。

　　

生物通报道：在2014年1月4日《Current Biology》杂志上发表的一项研究中，普林斯顿大学的研究人员发现，细菌具有一种系统来防止同类中的“不劳而获者”享受别人的劳动成果。
　　　霍乱弧菌（Vibrio cholerae）群体，通过使群体中的生产性成员生产的食物，远离那些想靠其它人的剩余养分生活的霍乱弧菌，拒绝给“不劳而获者”非正义的食物。研究人员发现，单个细菌能够在自身周围产生厚厚的涂层，防止养分漂移到不值得去的地方。另外，在“不劳而获者”得到满足之前，细菌群落表层自然流动的液体，能够冲走多余的食物。（延伸阅读：Nature：磷脂酶介导的残酷竞争）
　　　本文的资深作者是分子生物学教授和系主任Bonnie Bassler，本文的第一作者Knut Drescher是其实验室的博士后，他解释说，在细菌中可能很常见的这种微观的正义行为，不仅保证了团体中那些最勤劳的成员的生存，也可用于农业生产、燃料生产和治疗细菌感染例如霍乱。
　　　Drescher指出，通过鼓励这种行为，科学家们能够提高任何依赖细菌分解有机材料的过程的效率，例如植物材料转化为生物燃料，或纤维制成纸产品。为治疗疾病，我们可以抵消这种机制，从而有效地饿死更多的生产性细菌和削弱感染。
　　　Drescher说：“我们可以利用我们的结果来发展一种策略，对那些能够将死去的有机物质消化为有用产品的微生物，促进它们的增殖。这种方法，将对农业、生物降解、工业清理或工业和医药产品制造的营养物循环的优化非常有用。”
　　　普林斯顿的这项研究成果，也使我们更加深入地了解到，微生物如何通过利用公正性来保护自己和解决“公共资源两难困境”（public goods dilemma）。本文的共同第一作者、Bassler实验室的博士后研究助理Carey Nadell指出，在公共品困境这种情况下，一个群体必须一起工作，同时也要避免“自私自利者”的剥削。
　　　Nadell表示：“公共资源两难困境，是地球有史以来的一个中心问题，在此期间，单细胞以基因集体的形式出现，多细胞生物体以细胞集体的形式出现，社会以多细胞生物体的集体形式出现。”他说：“在每种复杂的转变中，一直都存在‘单个成员以总体的利益为代价追求其自身利益’的剥削威胁。因此，阐明剥削是如何被避免的，对于理解生命如何采取今天继续存在的各种形式，将非常的关键。”
　　　像所有的细菌一样，霍乱弧菌——其菌株可引起霍乱——经常以浓密的生物被膜形式生存。也如同其它细菌一样，霍乱弧菌能够分泌一种酶，这种酶可以分解组成生物的固体有机碳和氮分子，因此细菌能够在部件内部大吃大喝。但是，并不是每一个细菌都能够产生酶——一些细菌只能靠其“邻居”消化产生的有机物生活。研究人员发现了两种不同的机制能够停止这种掠取行为：细胞产生厚的生物被膜，使公共品仅限于生产者享用；或者流体流动能够去除几丁质消化的可溶产物，从而拒绝“不劳而获者”接近。
　　　霍乱弧菌和其它细菌的这种警惕性，也可以带来更大的益处。氮和碳构成了地球上大多数可呼吸的空气，它们就主要来自细菌进行的有机物质的消化作用。
　　　研究人员研究了霍乱弧菌，因为它偏爱的食物是几丁质——一种以糖为基础的分子，是许多海洋细胞、外骨骼和其它船体附属体的中心元素。研究人员写道，每年仅海洋动物就会脱落大约1100亿吨的甲壳素——但几乎没有任何一点会到达海底。相反地，这些碎屑被霍乱弧菌和其它海洋细菌消耗掉，使其元素被回收到生物圈中。
　　　Nadell说：“如果霍乱弧菌的胞外消化系统被剥削行为损害，世界上的碳和氮的供应将会在一个快速的地质时间尺度上隐退。”（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Solutions to the Public Goods Dilemma in Bacterial Biofilms
Summary：Bacteria frequently live in densely populated surface-bound communities, termed biofilms. Biofilm-dwelling cells rely on secretion of extracellular substances to construct their communities and to capture nutrients from the environment. Some secreted factors behave as cooperative public goods: they can be exploited by nonproducing cells. The means by which public-good-producing bacteria avert exploitation in biofilm environments are largely unknown. Using experiments with Vibrio cholerae, which secretes extracellular enzymes to digest its primary food source, the solid polymer chitin, we show that the public goods dilemma may be solved by two very different mechanisms: cells can produce thick biofilms that confine the goods to producers, or fluid flow can remove soluble products of chitin digestion, denying access to nonproducers. Both processes are unified by limiting the distance over which enzyme-secreting cells provide benefits to neighbors, resulting in preferential benefit to nearby clonemates and allowing kin selection to favor public good production. Our results demonstrate new mechanisms by which the physical conditions of natural habitats can interact with bacterial physiology to promote the evolution of cooperation.