“不同步”的“孤独者”可能会秘密保护有序的蜂群

密密麻麻的八哥云朵俯冲翱翔，聚集在波浪形的窗帘里，遮蔽着天空；数十万头角马在非洲平原上一起雷鸣，形成一个协调的、似乎永无止境的迁徙循环；萤火虫齐声眨眼；整个竹林立刻绽放。几十年来，科学家们一直在研究这些令人着迷的同步壮举，试图梳理出促成这种合作和复杂性的因素。

然而，总有一些个体没有参与集体行为-奇怪的鸟类、昆虫或哺乳动物与其他动物保持着轻微的不同步；流浪细胞或细菌似乎错过了一些战斗的号召。研究人员通常对他们不屑一顾，认为他们是微不足道的异常值。

但少数科学家已经开始怀疑并非如此。他们的直觉是，这些个体是某种更深层次的迹象，一种更广泛的进化策略正在发挥作用。现在，一项新的研究证实了这一假设，为集体行为研究开辟了一种非常不同的思维方式。

普林斯顿大学数学生物学家科琳娜·塔尼塔(Corina Tarnita)和她的同事们将注意力转向细胞黏液霉菌盘基网柄菌(Dictyostelialdiscoideum)后，早期线索出现了。通常，它生活在一群孤独的变形虫身上，每个细胞都吃东西，自己分裂。但是，当面临饥饿的威胁时，多达100万个这样的细胞可以结合成一个蘑菇状的塔。其中约20%的人创造了一根茎，牺牲了自己，以便其余的可以移动到结构的顶部并形成孢子，这些孢子可以在没有食物的情况下持续几个月。最终，水和风将这些孢子散布到新的、可能更富营养的环境中。

科学家们使用粘菌对社会行为的出现和维持进行了实验研究，确定了确保变形虫之间合作的机制。但他们总是把重点放在聚集的细胞上。塔尼塔和她的团队想要调查留在后面的细胞--他们称之为“独行者”--是否也起到了重要作用。

正如他们在2015年“美国国家科学院院刊”上报道的那样，事实证明，这些独来独往的人功能完美，在营养存在的情况下经常进食和分裂。它们的后代在饥饿时可以正常聚集--它们总是留下一些独来独往的人。它们的存在似乎是黏菌行为的一个一致方面。

这就留下了这样一种可能性，即孤立者只是不可避免的落后者，在涉及数十万个细胞的同步过程中落在后面。在这种情况下，研究人员预计非聚集细胞的数量从一个实验到另一个实验会随机变化。

但是，由于单个阿米巴的不规则形状使得它们极难计数，塔尼塔和她的同事们还需要几年的时间来测试这一点-在研究生费尔南多·罗辛加入她的实验室并找到了精确计数细胞的方法后，塔尼塔和她的同事们还需要几年的时间来测试这一点。“这是游戏规则的改变者，”塔尼塔说。

令人震惊的是，独行者占原始种群的比例高达30%，有时超过了聚合体茎中的细胞数量。

但这还不是全部。研究人员曾预测，在每次测试中都会有恒定比例的细胞留在后面。这将意味着每个细胞实际上是在独立地就是否参与集体行为抛出(加权的)硬币。“我们完全认为这会是掷硬币，”罗辛说。“我们对此深信不疑。”

然而，正如这两位科学家在3月份发表在“公共科学图书馆·生物学”(PLOS Biology)上报道的那样，他们发现的不是固定比例的独行者，而是固定数量的独行者。这项研究的合著者之一、普林斯顿大学的生物物理学家托马斯·格雷戈尔说：“细胞记住了某种设定点。”不同菌株的黏菌有不同的设定点。正如塔尼塔所说，“他们中的一些人似乎是非常好的聚集者，只留下了大约10,000个独来独往的人。其他人则非常不善于聚合，以至于可能会留下5,000或10,000个独来独往的人。

品系之间的自然变异意味着独来独往的行为是自然选择不能采取行动的一种可遗传特征。进一步的实验和模拟表明，这个数字还受到环境因素的影响，环境因素影响细胞的化学信号如何扩散和相互作用，以促进或阻碍聚集。

这是因为当细胞开始挨饿时，它们会向邻居发出化学信号；当足够多的细胞发出警报时，聚集过程就开始了。塔尼塔和她的同事建立了一个简单的模型，表明观察到的孤独者模式可以通过单个细胞以不同的速度转化为活跃的聚集形式来解释。随着更多的细胞聚集，它们的饥饿信号就会减弱。塔尼塔说，在某一时刻，“将会有一些牢房留下来，再也听不到任何人尖叫‘危险’，因为所有一直在尖叫‘危险’的人都已经离开了。”剩下的细胞就是孤独者。

“但是，如果完全同步的能力实际上可以被进化利用，把它变成一种有趣的策略，那会怎么样呢？”塔尼塔问道。由于进化可能会潜在地作用于这一过程，“作为一种行为，这实际上可能是真正有意义的。”

她和她的同事假设这是一种押注对冲。聚集的细胞体也有其自身的风险：它可能会被捕食者吃掉，或者被“骗子”细胞利用黏菌的集体行为来谋取私利。如果营养物质突然返回环境，变形虫就不能逆转聚集过程来获取食物。

因此，孤独的细胞可以作为一种保险形式，以防这些情况中的任何一种发生。塔尼塔说，通过置身于群体之外，“你就会留下这些种子”--这些种子可以自行再生种群及其多细胞动力学。

打赌套期保值不是一个新概念。嘈杂的基因表达可以在基因相同的生物之间创造多样性，例如-使少数细菌能够抵抗抗生素，或者使克隆鱼中的某些个体变得更具攻击性。但这些形式的押注对冲发生在个人层面上。

塔尼塔和她的团队怀疑，他们观察到的押注对冲发生在集体层面。她说：“每个细胞都没有做出孤立的决定。”“从某种意义上说，这实际上是一个社会决定。这是一个取决于世界其他地区的决定“--取决于周围细胞的颤动和环境的物理性质。

科学家们还需要明确地证明这种粘菌从这种押注对冲策略中获得了健康益处。但此前博弈论方面的研究表明，当个人可以在几轮集体活动中“选择退出”时，可以帮助维持群体中的合作和多样性，并保护群体免受寄生个人的侵害。塔尼塔实验室正在进行的建模工作也暗示了类似的事情。

塔尼塔说：“如果这就是正在发生的事情，那么这是一个非常有趣的策略--不是保存任何特定的集合，而是保存社会行为本身。”

此外，罗辛说，“即使是这种非社会性的部分也有社会成分”，这一事实可能有助于阐明有机体向多细胞和社会合作的进化过渡。

研究人员希望在分子水平上确定正在发生的事情，以便在黏菌中实现这一策略。但他们最兴奋的是在其他系统中研究孤独者的前景。罗辛说：“把独来独往的人作为稳定群体存在的东西的理论观点是非常有说服力的。”也许它也可以适用于迁徙的角马或开花的竹子，甚至适用于人类(塔尼塔实验室的一些成员现在正在研究这个方向)。

尽管科学家们告诫称，在没有进一步的实验工作的情况下，不要将这个类比做得太过分，但德国马克斯·普朗克动物行为研究所(Max Planck Institute Of Animal Behavior)所长伊恩·库津(Iain Couzin)指出，这与他研究的另一个系统有直接的相似之处：蝗虫和黏菌一样，必须应对剧烈波动的环境和食物供应的突然变化。当形势变得艰难时，蝗虫也会从孤独状态转变为聚集的群体-它们似乎也会把孤独的人甩在后面。库津说，塔尼塔的工作“让我思考这种类型的过程可能会在其他生物组织规模上发生”。

在其他情况下，独来独往的行为可能在进化上也是至关重要的。例如，Couzin和其他人发现，某些形式的独来独往的行为可能会导致团队中领导者的出现。“这些差异是预先决定的吗？”库津说。或者它们是“一种既依赖于动物周围的物理环境又依赖于生物环境的决策策略”的产物？

要找到这些问题的答案将是困难的。但与此同时，这项工作表明，为了真正理解集体和合作行为是如何演变的，以及它们是如何继续运作的，研究人员可能需要研究那些看起来不合适的没有参与的行为。

塔尼塔说：“我们花了很长时间试图了解事物是如何同步的。”“没有人真的像那些似乎什么都不做的单细胞、懒惰的蚂蚁、出于某种原因决定不迁徙的角马、或者剥落的蝗虫那么感兴趣。”“没有人对那些似乎什么都不做的单细胞、懒散的蚂蚁、出于某种原因决定不迁徙的角马、或者脱落的蝗虫真正感兴趣。”我们只是从来没有真正注意到这一点。“。

更正：2020年5月21日在Tarnita的最后一句话中插入了一个括号内的词，以澄清她的意思。