From cooperation to predation: the evolutionary origins of phagocytosis
本文利用动力系统框架证明，吞噬作用可以从一个合作型微生物群落中演化出来，并与其原始成员共存，最终导致一个由两种合作者和一种纯捕食者组成的稳定生态系统。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
复杂生命如何起源的故事是生物学中最深刻的篇章之一。在地球长达数十亿年的时间里，生命由漂浮在水中、以溶解营养物质为食的简单单细胞生物组成。然后，一些非凡的事情发生了：一个细胞学会了吞噬另一个细胞。这种被称为“吞噬作用”（phagocytosis）的行为，是生物学意义上的“嘴”。它是一种能够吞没整个其他细胞的能力，这一壮举需要灵活的内部骨架和复杂的机制，而简单的细菌并不具备这些特征。这一事件是真核生物进化的门户，真核生物包括植物、动物和真菌。在许多关于这一转变的著名故事中，被吞下的细胞并未被消化，而是成为了一个永久的、有益的访客，最终演变成了如今为我们的细胞提供能量的线粒体。这表明这是一种友好的开端，是两个陌生人之间的伙伴关系。但为了形成这种伙伴关系，宿主细胞首先需要具备抓取客人的能力。这产生了一个悖论：如果宿主和客人已经是朋友，为什么其中一方会进化出吃掉另一方的能力？如果它们是敌人，宿主可能会直接消化掉客人，从而失去建立伙伴关系的机会。科学家们长期以来一直在思考，什么样的条件能让这种“进食”能力的进化成为可能，尤其是当这两个细胞最初是合作型邻居时。
一个研究小组试图通过构建一个微观世界的数学模型来解决这个谜题。他们想象了一个简单的生态系统，其中包含两种生活在共同环境中的细菌。在这个设定中，这两个物种陷入了一场紧密的、协作的舞蹈。其中一个物种消耗一种营养物质并产生一种对其自身有毒的废物，这减缓了其自身的生长。然而，第二个物种却可以食用这种有毒废物，将其作为生长的食物。通过清理废物，第二个物种帮助第一个物种生存并繁衍，而第一个物种则为第二个物种提供了所需的食物。它们相互依赖，在一起生长得比单独生存时更好。随后，研究人员提出了一个简单的问题：如果这个群体中出现了一个可以吃掉第二个物种的突变体，会发生什么？他们在第一个物种中引入了一种新的、罕见的变体，这种变体已经发展出了吞噬其合作伙伴的能力。这个突变体是一种混合行为的个体：它既可以像其祖先一样食用原始营养物质，也可以通过狩猎和消耗第二个物种来获取额外的能量。
研究人员运行了模拟实验，以观察这种新的捕食者表现如何。他们发现，突变体可以成功入侵这个合作型群体，但结果很大程度上取决于它对狩猎与原始饮食的依赖程度。如果突变体是一个纯粹的猎手，仅食用第二个物种，它可以与原始的两个合作者和平共处。社区会进入一个稳定的状态，三种类型的生物共同生活。然而，如果突变体只是一个弱小的猎手，主要依赖旧有的饮食，它就会与原始物种在相同的食物上产生直接竞争。在这种情况下，突变体会胜过并取代原始物种，导致后者灭绝。研究揭示了一个关键的阈值：捕食者必须在狩猎方面足够专业化，以避免与其祖先产生直接竞争。当研究人员在突变体的行为中加入了一个现实的生物学成本——即在切换食用营养物质和狩猎猎物之间所需的能量——结果变得更加清晰。系统自然地向着一个由专业化物种组成的群落演化。原始的合作者依然存在，但那些具备混合能力的突变体被排挤出局，取而代之的是一个只负责狩猎的纯粹捕食者。
这项工作表明，吞噬其他细胞的能力并不一定需要预先存在的冲突或敌对环境。相反，只要猎物足够丰富以支持新的捕食者，这种能力可以从一个和平、合作的社区中涌现出来。该模型显示，捕食物种可以在不破坏整个系统的情况下，与其合作型祖先共同进化。事实上，捕食者的存在有时可以通过控制第二个物种的数量来帮助原始的合作者，防止后者过度消耗资源。研究人员发现，一旦专业的捕食者建立了自己的地位，整个群落的进化路径就会发生变化。系统变得稳定，不再有新的“杂而不精”的突变体能够入侵。社区分化出了不同的角色：两个物种相互协作，而第三个物种则狩猎它们。这种角色分离（即每个物种都专注于一种特定的生活方式）或许解释了为什么在现代世界中，我们很少见到既是合作者又是捕食者的细胞。吞噬作用——这一让复杂生命得以开启的行为——的进化，其起点可能并非一场战斗，而是由于一个友好的社区发生了转变：一个新邻居学会了进食，并以此改变了生命的规则。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。