Οι «Μοναχικοί» εκτός συγχρονισμού ενδέχεται να προστατεύουν κρυφά τα τακτοποιημένα σμήνη

Πυκνά σύννεφα από ψαρόνια βυθίζονται και πετούν στα ύψη, συγκεντρώνονται σε κυματιστές κουρτίνες που σκοτεινιάζουν τον ουρανό. Εκατοντάδες χιλιάδες αγριολούλουδα βροντούν μαζί στις πεδιάδες της Αφρικής σε έναν συντονισμένο, φαινομενικά ατελείωτο μεταναστευτικό βρόχο. οι πυγολαμπίδες αναβοσβήνουν ταυτόχρονα. ολόκληρα δάση από μπαμπού ανθίζουν ταυτόχρονα. Οι επιστήμονες έχουν μελετήσει αυτά τα μαγευτικά επιτεύγματα του συγχρονισμού για δεκαετίες, προσπαθώντας να ξεχωρίσουν τους παράγοντες που επιτρέπουν μια τέτοια συνεργασία και πολυπλοκότητα.

Ωστόσο, υπάρχουν πάντα άτομα που δεν συμμετέχουν στη συλλογική συμπεριφορά - το περίεργο πουλί ή έντομο ή θηλαστικό που παραμένει λίγο ασυγχρονισμένο με τα υπόλοιπα. το αδέσποτο κύτταρο ή το βακτήριο που φαίνεται να έχει χάσει κάποιο κάλεσμα στα όπλα. Οι ερευνητές συνήθως τους δίνουν ελάχιστη προσοχή, απορρίπτοντάς τους ως ασήμαντες ακραίες τιμές.

Αλλά μια χούφτα επιστημόνων έχουν αρχίσει να υποψιάζονται το αντίθετο. Η πεποίθησή τους είναι ότι αυτά τα άτομα είναι σημάδια για κάτι βαθύτερο, μια ευρύτερη εξελικτική στρατηγική στη δουλειά. Τώρα, νέα έρευνα που επικυρώνει αυτήν την υπόθεση έχει ανοίξει έναν πολύ διαφορετικό τρόπο σκέψης σχετικά με τη μελέτη της συλλογικής συμπεριφοράς.

Παντού μοναχικοί

Οι πρώτες ενδείξεις προέκυψαν αφού η Corina Tarnita, μαθηματικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, και οι συνάδελφοί της έστρεψαν την προσοχή τους στην κυτταρική μούχλα λάσπης Dictyostelium discoideum . Τυπικά, ζει ως μια συλλογή από μοναχικές αμοιβάδες, με κάθε κύτταρο να τρώει και να διαιρείται μόνο του. Αλλά όταν απειλούνται με ασιτία, έως και ένα εκατομμύριο από αυτά τα κύτταρα μπορούν να ενωθούν σε έναν πύργο που μοιάζει με μανιτάρι. Περίπου το 20% από αυτά δημιουργούν ένα μίσχο, θυσιάζοντας τον εαυτό τους, έτσι ώστε οι υπόλοιποι να μπορούν να μετακομίσουν στην κορυφή της δομής και να σχηματίσουν σπόρια, τα οποία μπορούν να διαρκέσουν για μήνες χωρίς τροφή. Τελικά, το νερό και ο άνεμος διασκορπίζουν αυτά τα σπόρια σε νέα και δυνητικά πιο πλούσια σε θρεπτικά συστατικά περιβάλλοντα.

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν καλούπια λάσπης για να διερευνήσουν πειραματικά την εμφάνιση και τη διατήρηση της κοινωνικής συμπεριφοράς, εντοπίζοντας μηχανισμούς που διασφαλίζουν τη συνεργασία μεταξύ των αμοιβάδων. Αλλά πάντα επικεντρώνονταν στα συγκεντρωτικά κύτταρα. Η Tarnita και η ομάδα της ήθελαν να διερευνήσουν εάν τα κελιά που έμειναν πίσω —οι «μοναχικοί», όπως τους αποκαλούσαν— έπαιξαν επίσης σημαντικό ρόλο.

Όπως ανέφεραν στο Proceedings of the National Academy of Sciences Το 2015, αυτοί οι μοναχικοί αποδείχτηκαν απόλυτα λειτουργικοί, τρώνε και μοιράζονταν τακτικά παρουσία θρεπτικών συστατικών. Οι απόγονοί τους μπορούσαν να συγκεντρωθούν κανονικά όταν πεινούσαν - και πάντα άφηναν πίσω τους μερικούς δικούς τους μοναχικούς. Η παρουσία τους φαινόταν να είναι μια συνεπής πτυχή της συμπεριφοράς της μούχλας.

Αυτό άφησε την πιθανότητα ότι οι μοναχικοί ήταν απλώς οι αναπόφευκτοι στρατιώτες που έπεσαν πίσω σε μια διαδικασία συγχρονισμού που περιλάμβανε εκατοντάδες χιλιάδες κύτταρα. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ερευνητές περίμεναν ότι ο αριθμός των μη συσσωρευόμενων κυττάρων θα διαφέρει τυχαία από το ένα πείραμα στο άλλο.

Αλλά επειδή τα ακανόνιστα σχήματα των μεμονωμένων αμοιβάδων τις έκαναν εξαιρετικά δύσκολο να μετρηθούν, θα χρειαστούν μερικά ακόμη χρόνια για να το δοκιμάσουν η Tarnita και οι συνάδελφοί της - αφού ο μεταπτυχιακός φοιτητής Fernando Rossine μπήκε στο εργαστήριό της και βρήκε έναν τρόπο να απαριθμήσει με ακρίβεια τα κύτταρα . «Αυτό άλλαξε το παιχνίδι», είπε η Tarnita.

Και οδήγησε αμέσως σε εκπλήξεις.

Η στρατηγική αξία της διαμονής χωριστά

Ένα σοκ ήταν ότι οι μοναχικοί αποτελούσαν έως και το 30% του αρχικού πληθυσμού, μερικές φορές υπερβαίνοντας τον αριθμό των κυττάρων στο μίσχο του αδρανούς.

Αλλά δεν ήταν μόνο αυτό. Οι ερευνητές είχαν προβλέψει ότι ένα σταθερό κλάσμα κυττάρων θα έμενε πίσω σε κάθε δοκιμή. Αυτό θα σήμαινε ότι κάθε κύτταρο στην πραγματικότητα κέρδιζε ανεξάρτητα ένα (σταθμισμένο) νόμισμα σχετικά με το αν θα συμμετείχε στη συλλογική συμπεριφορά. «Πιστεύαμε ότι θα ήταν μια αναστροφή νομίσματος», είπε ο Rossine. "Ήμασταν πεπεισμένοι."

Όπως ανέφεραν οι επιστήμονες τον Μάρτιο στο PLOS Biology , ωστόσο, αντί για ένα σταθερό κλάσμα μοναχικών, βρήκαν έναν σταθερό αριθμό από αυτούς. «Υπάρχει κάποιου είδους καθορισμένο σημείο που τα κύτταρα έχουν απομνημονεύσει», είπε ο Thomas Gregor, βιοφυσικός στο Πρίνστον και ένας από τους συν-συγγραφείς της μελέτης. Διαφορετικά στελέχη του καλουπιού λάσπης είχαν διαφορετικά σημεία ρύθμισης. Όπως το έθεσε η Tarnita, «Μερικοί από αυτούς έμοιαζαν εξαιρετικά καλοί συγκεντρωτές, αφήνοντας πίσω [μόνο] περίπου 10.000 μοναχικούς. Άλλοι ήταν τόσο κακοί στη συγκέντρωση που μπορούσαν να αφήσουν πίσω τους 50.000 ή 100.000 μοναχικούς.”

Αυτή η φυσική διακύμανση μεταξύ των στελεχών σημαίνει ότι η μοναχική συμπεριφορά είναι ένα κληρονομικό χαρακτηριστικό στο οποίο η φυσική επιλογή μπορεί να ενεργήσει. Περαιτέρω πειράματα και προσομοιώσεις έδειξαν ότι αυτός ο αριθμός επηρεάζεται επίσης από περιβαλλοντικούς παράγοντες, οι οποίοι επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο τα χημικά σήματα των κυττάρων διαχέονται και αλληλεπιδρούν για να διευκολύνουν —ή να εμποδίζουν— τη συσσώρευση.

Αυτό συμβαίνει επειδή όταν τα κύτταρα αρχίζουν να λιμοκτονούν, στέλνουν χημικά σήματα στους γείτονές τους. όταν αρκετά κελιά ηχήσουν τον συναγερμό, αρχίζει η διαδικασία συσσώρευσης. Η Tarnita και οι συνεργάτες της κατασκεύασαν ένα απλό μοντέλο για να δείξουν ότι τα παρατηρούμενα μονότυπα θα μπορούσαν να εξηγηθούν από μεμονωμένα κύτταρα που μετασχηματίζονται στην ενεργά συσσωρευόμενη μορφή τους με διαφορετικούς ρυθμούς. Καθώς συγκεντρώνονταν περισσότερα κύτταρα, τα σήματα πείνας υποβαθμίζονταν. Σε κάποιο σημείο, «θα μείνουν μερικά κελιά πίσω που απλά δεν θα ακούγεται πια κανένας να ουρλιάζει «κίνδυνος», γιατί όλοι όσοι φώναζαν «κίνδυνος» έχουν ήδη φύγει», είπε η Tarnita. Αυτά τα κελιά που απομένουν είναι τα μοναχικά.

«Αλλά τι γίνεται αν αυτή η αδυναμία πλήρους συγχρονισμού μπορεί πραγματικά να αξιοποιηθεί από την εξέλιξη για να τη μετατρέψει σε μια ενδιαφέρουσα στρατηγική;» ρώτησε η Ταρνίτα. Εφόσον η εξέλιξη θα μπορούσε δυνητικά να δράσει σε αυτή τη διαδικασία, "αυτό μπορεί να έχει πραγματικά νόημα ως συμπεριφορά."

Αυτή και οι συνάδελφοί της υποστηρίζουν ότι είναι μια μορφή αντιστάθμισης στοιχημάτων. Το συσσωρευμένο κυτταρικό σώμα έρχεται με τους δικούς του κινδύνους:Θα μπορούσε να φαγωθεί από ένα αρπακτικό ή να κατακλυστεί από κύτταρα «απατεώνων» που εκμεταλλεύονται τη συλλογική συμπεριφορά της λάσπης για δικό τους εγωιστικό κέρδος. Και αν τα θρεπτικά συστατικά επιστρέψουν απότομα στο περιβάλλον, οι αμοιβάδες δεν μπορούν να αντιστρέψουν τη διαδικασία συσσώρευσης για να αποκτήσουν πρόσβαση σε αυτό το φαγητό.

Τα μοναχικά κελιά θα μπορούσαν επομένως να χρησιμεύσουν ως μια μορφή ασφάλισης σε περίπτωση που συμβεί κάποια από αυτές τις καταστάσεις. Μένοντας έξω από την ομάδα, "αφήνεις πίσω σου αυτούς τους σπόρους", είπε ο Tarnita — σπόρους που θα μπορούσαν να αναγεννήσουν τον πληθυσμό και την πολυκύτταρη δυναμική του από μόνοι τους.

Διατήρηση μιας κοινωνικής συμπεριφοράς

Η αντιστάθμιση στοιχημάτων δεν είναι μια νέα έννοια. Η θορυβώδης γονιδιακή έκφραση μπορεί να δημιουργήσει ποικιλομορφία μεταξύ γενετικά πανομοιότυπων οργανισμών, για παράδειγμα - επιτρέποντας σε μικρούς αριθμούς βακτηρίων να αντιστέκονται στα αντιβιοτικά ή σε ορισμένα άτομα μεταξύ των κλωνικών ψαριών να είναι πιο επιθετικά. Αλλά αυτές οι μορφές αντιστάθμισης στοιχημάτων συμβαίνουν σε ατομικό επίπεδο.

Η Tarnita και η ομάδα της υποπτεύονται ότι η αντιστάθμιση στοιχήματος που παρατήρησαν συμβαίνει σε επίπεδο συλλογικότητας. «Κάθε κύτταρο δεν παίρνει την απόφαση να γίνει μοναχικός στην απομόνωση», είπε. «Είναι στην πραγματικότητα μια κοινωνική απόφαση κατά κάποιο τρόπο. Είναι μια απόφαση που εξαρτάται από τον υπόλοιπο κόσμο» — από τη φλυαρία των γύρω κυττάρων και τη φυσική φύση του περιβάλλοντος.

Οι επιστήμονες πρέπει ακόμα να αποδείξουν οριστικά ότι το καλούπι λάσπης κερδίζει ένα όφελος φυσικής κατάστασης από αυτή τη στρατηγική αντιστάθμισης στοιχημάτων. Ωστόσο, προηγούμενες εργασίες στη θεωρία παιγνίων έχουν δείξει ότι όταν τα άτομα μπορούν να «εξαιρεθούν» από μια συλλογική δραστηριότητα για μερικούς γύρους, μπορεί να βοηθήσει στη διατήρηση της συνεργασίας και της διαφορετικότητας σε έναν πληθυσμό και στην προστασία της ομάδας από παρασιτικά άτομα. Η συνεχιζόμενη εργασία μοντελοποίησης στο εργαστήριο της Tarnita υπαινίσσεται κάτι παρόμοιο.

"Αν συμβαίνει αυτό, τότε είναι μια πραγματικά ενδιαφέρουσα στρατηγική - να μην διατηρηθεί κάποιο συγκεκριμένο σύνολο αλλά να διατηρηθεί η ίδια η κοινωνική συμπεριφορά", είπε ο Tarnita.

Επιπλέον, το γεγονός ότι «ακόμα και αυτό το κοινωνικό μέρος έχει μια κοινωνική συνιστώσα», είπε ο Rossine, θα μπορούσε να βοηθήσει να φωτίσει την εξελικτική μετάβαση των οργανισμών στην πολυκυτταρικότητα και την κοινωνική συνεργασία.

Οι ερευνητές ελπίζουν να εντοπίσουν τι συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο για να ενεργοποιήσουν αυτή τη στρατηγική στα καλούπια λάσπης. Αλλά είναι πιο ενθουσιασμένοι από την προοπτική να μελετήσουν μοναχικούς σε άλλα συστήματα. «Η θεωρητική ιδέα του μοναχικού ως κάτι που σταθεροποιεί την ύπαρξη της ομάδας είναι πολύ ισχυρή», είπε ο Rossine. Ίσως θα μπορούσε επίσης να ισχύει για τα μεταναστευτικά αγριολούλουδα ή τα ανθισμένα μπαμπού — ή ακόμα και για τους ανθρώπους (μια κατεύθυνση που επιδιώκουν τώρα ορισμένα μέλη του εργαστηρίου της Tarnita).

Αν και οι επιστήμονες προειδοποιούν να μην επεκτείνουμε την αναλογία πολύ μακριά χωρίς περαιτέρω πειραματική εργασία, ο Iain Couzin, διευθυντής του Ινστιτούτου Max Planck για τη Συμπεριφορά των Ζώων στη Γερμανία, σημείωσε άμεσους παραλληλισμούς με ένα άλλο σύστημα που έχει μελετήσει:τις ακρίδες, οι οποίες, όπως τα καλούπια από βλέννα, έχουν για την αντιμετώπιση των περιβαλλόντων με άγριες διακυμάνσεις και τις ξαφνικές αλλαγές στη διαθεσιμότητα τροφίμων. Οι ακρίδες μεταβαίνουν επίσης από μια μοναχική κατάσταση σε ένα συγκεντρωτικό σμήνος όταν οι καιροί δυσκολεύουν - και φαίνεται να αφήνουν πίσω τους μοναχικούς. Το έργο της Tarnita «με έκανε να σκεφτώ πώς μπορεί να συμβαίνει αυτό το είδος διαδικασίας σε άλλες κλίμακες βιολογικής οργάνωσης», είπε ο Couzin.

Υπάρχουν και άλλα πλαίσια στα οποία η συμπεριφορά του μοναχικού μπορεί να αποδειχθεί επίσης εξελικτικά κρίσιμη. Ο Couzin και άλλοι έχουν διαπιστώσει, για παράδειγμα, ότι ορισμένες μορφές μοναχικής συμπεριφοράς μπορούν να οδηγήσουν στην εμφάνιση ηγετών σε ομάδες. «Είναι αυτές οι διαφορές προκαθορισμένες;» είπε ο Κουζίν. Ή μήπως είναι προϊόντα «μιας στρατηγικής λήψης αποφάσεων που εξαρτάται τόσο από το φυσικό όσο και από το βιοτικό περιβάλλον γύρω από τα ζώα;»

Η εύρεση απαντήσεων σε αυτές τις ερωτήσεις θα είναι δύσκολη. Ωστόσο, στο μεταξύ, η εργασία δείχνει ότι για να κατανοήσουν πραγματικά πώς εξελίχθηκαν οι συλλογικές και συνεργατικές συμπεριφορές και πώς συνεχίζουν να λειτουργούν, οι ερευνητές μπορεί να χρειαστεί να μελετήσουν τα φαινομενικά ακατάλληλα που δεν συμμετέχουν.

«Έχουμε περάσει πολύ καιρό προσπαθώντας να καταλάβουμε πώς συγχρονίζονται τα πράγματα», είπε η Tarnita. «Κανείς δεν ενδιαφέρθηκε πραγματικά για τα μεμονωμένα κύτταρα που δεν φαίνεται να κάνουν τίποτα, ή τα τεμπέλικα μυρμήγκια, ή τα αγριολούλουδα που για κάποιο λόγο αποφασίζουν να μην μεταναστεύσουν ή για τις ακρίδες που ξεφλουδίζουν. Ποτέ δεν δώσαμε πραγματικά προσοχή."

Ίσως τώρα είμαστε.

Διόρθωση: 21 Μαΐου 2020
Μια λέξη σε αγκύλες εισήχθη στην τελική παράθεση από την Tarnita για να διευκρινιστεί το νόημά της.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  TheAtlantic.com .