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    首頁 >站長軟文 > 科技數碼軟文 發布于:2019-04-22 09:42:09

    哈爾濱中軟卓越分享:病毒為了生存也有不擇手段的社交行為

    作者:黑龍江中軟

    北京時間4月22日消息,據國外相關網站報道,社會行為各式各樣,不同生物也會表現出不同的社交傾向,比如哺乳動物和鳥類很多都是熱情的社交積極分子,但自然界也同樣存在一些社交行為仍然充滿神秘感的生物,比如細菌。進化生物學家們常常對于它們所表現出的那些利他行為感到困惑不解,因為根據物競天擇的自然選擇理論,可以說“人不為己天誅地滅”——利他主義的行為顯然會讓當事者在面臨自然選擇時處于不利地位。那為什么還有生物會這樣做?

    20世紀最杰出的進化生物學家之一的威廉·漢密爾頓(William D. Hamilton)對此發展了一項專門的數學模型來對利他行為進行解釋,這就是親緣選擇理論。簡單說,這一理論認為,個體或群體只會對其同類或其近親屬表現出利他行為。比如說,為什么群居的螞蟻,蜜蜂,胡蜂等昆蟲,其中的大部分成員會放棄自己生育的能力,一生無兒無女,而傾盡心力撫養照顧蜂后,蟻后生育的孩子?而細菌學家們也注意到很多細菌成員會在菌落中分泌對它的同伴有利的代謝物,這是為什么?

    著名生物學家和暢銷書作家理查德·道金斯在他的著作《自私的基因》指出,自然選擇的基本單位不是物種,也不是種群或者群體,而是作為遺傳物質的基本單位,即基因。是基因的自私性在導致了生存競爭的同時,也導致了動物的利他行為。因為群體或者種群都隨時處在動態的變化中,只有基因是穩定的,并通過“復制”或“拷貝”的形式永恒的存在。動物的基本目的就是使和它自身相同的基因得到壯大。螞蟻,蜜蜂,甚至那些細菌,之所以愿意付出,是因為那些同伴往往和自己具有近親緣關系,具有大量的相近基因,它們活下去,也就等于傳遞了自己的基因。

    甚至,近年來科學家們意識到,連最最低級,最最簡單的病毒,竟然同樣擁有社交生活,甚至這些活動會影響到它們的健康和進化情況。英國牛津大學的生物學家斯圖爾特·韋斯特(Stuart West)專門研究生物的進化與社會行為。他提到:“從理論的角度上看,很顯然病毒之間開展社交互動存在著巨大潛力,而這將導致某種形式的合作和沖突的產生。然而,在此之前我們對此的研究還相當有限?!?/span>

    在一項最新發表在《自然·微生物學》雜志的研究中,西班牙瓦倫西亞大學的進化遺傳學家拉斐爾·圣胡安(Rafael Sanjuán)和他的同事們采用理論與實踐相結合的方法,探索了病毒之間的合作與沖突現象。他們發現病毒感染的空間結構非常重要——簡單說就是,不同的病毒群落是否是相互分開的,這一點至關重要。在一個均勻分布的病毒群落中,那些產生利他行為的病毒會嚴重吃虧,淪為受害者,而那些“占便宜”的病毒則會利用“他人”的善意;但是反過來,在相互孤立的小群落中,產生利他行為的病毒則會有活下去的機會。

    我們考慮水泡性口炎病毒(VSV)的情況,這是狂犬病毒一個家族的病毒種類。通常情況下,病毒感染往往會刺激被感染的哺乳動物身體細胞分泌干擾素,這是一種信號蛋白,它會讓近鄰的其他細胞啟動反病毒防御機制并阻止病毒繁殖。而有某些VSV病毒進化出了一種特別的能力,能夠抑制哺乳動物體內的免疫功能,但這樣做的代價就是它們的繁殖速度將減慢。但即便如此,這種能力讓它們可以活下來——除非有“占便宜”的家伙混跡其中。

    這些“占便宜”的“欺詐者”沒有抑制宿主免疫功能的能力,事實上,它們的存在刺激了宿主細胞釋放干擾素并激發機體免疫功能。但即便如此,它們仍然免費享受了宿主免疫功能減弱的好處,因為臨近的VSV病毒發揮了抑制機體免疫力的作用。但與VSV病毒不同的是,這些“占便宜者”并沒有參與對細胞免疫力的抑制行動,因此也就不必付出繁殖能力減弱的代價,這樣一來,它們就會在VSV病毒的庇護下快速繁殖,并很快在數量上超越前者。從社會行為角度看,圣胡安和同事們認為,在這一案例中,VSV病毒對宿主細胞免疫功能的抑制實際上成了一種利他行為,因為它們以犧牲自己的繁殖能力為代價,卻便宜了那些“欺詐者”病毒。

    但這樣終于將帶來惡果,越來越多不具備抑制細胞免疫功能的病毒出現,對細胞的刺激越來越大,終于激起了宿主體內強大的免疫功能,于是兩種病毒都被殺死了。這樣看來,似乎自然選擇機制會淘汰掉抑制機體免疫的這種病毒功能才對,因為你看,這樣的利他行為最終將導致滅亡,讓自己處于不利地位。

    但事實并不一定如此。圣胡安和同事們建立的模型顯示,這里的情況可能要比想象的更加復雜:比如最簡單的情況,假如那些能夠抑制免疫力的病毒和那些“占便宜”的病毒被物理分隔開來,那么具有抑制作用的病毒就可以存活下來。有時候,寄主體內的一些構造會產生天然的小空間,讓那些具備抑制免疫功能的病毒能夠存活,而不會受到其他“占便宜者”的侵犯。

    為了描述這種成功啟動免疫力抑制作用的特別情形,研究人員使用了此前由漢密爾頓創建的理論框架。根據漢密爾頓法則,利他行為要發生,應當滿足一個數學公式:即br>c,其中r代表2個個體間的關聯度,也就是說親緣關系有多近,c是利他行為者所付出的代價,而b則是接收者得到的好處。

    研究人員同時也注意到,接收者得到的好處,也就是公式里的b,實際上是和病毒周圍是否是被具有抑制功能的病毒,還是被“占便宜型”的病毒包圍有關聯的,他們使用一個參數來表達這種受影響的程度。當將漢密爾頓法則應用于充分混合的情形,以及相互分割的情形時,我們可以通過對比,得到這個參數的粗略估算值。

    圣胡安表示:“要想讓抑制機制起作用,你需要某種空間結構。由于病毒和細胞分泌的干擾素信號都是從一個細胞傳遞到下一個細胞,因此在這個過程中其實很難避免在感染過程中出現特定空間結構的出現。病毒顆粒和干擾素分子擴散上的速度差異,以及宿主體內的物理隔絕,都很容易產生這種病毒分布在空間上不均勻性,從而讓免疫抑制作用得以發揮作用?!?/span>

    在具備復雜行為的動物以及具備較為復雜通訊系統的細菌身上,進化的結果將受到許多因素的影響。圣胡安表示:“相比之下,病毒要簡單的多,幾乎一切都與隔絕條件有關。在這一系統中,目前尚未發現有其他因素對結果產生影響。如果病毒是混合在一起的,那么利他行為將無法進行,而如果是隔離的,那么利他行為將發揚光大?!?/span>

    圣胡安和同事們關注的另外一個現象是,為何有時候會發現有多個病毒顆粒會集合到一起,然后共同對一個細胞發起感染。這里存在的違背基本生存邏輯的點是:如果集合到一起,那么病毒能夠同時感染的不同細胞數量將減少,而這在本質上不利于病毒的擴張行動,違背了生存本性。但讓研究團隊感到驚奇的是,在這樣的情況下,總體來看病毒的生長和擴張實際上卻加速了,并且產生了更多的后代。當然這一結果在不同細胞內情況不同:在本身不具備內生免疫反應的腫瘤細胞內,病毒的集群策略將是低效和不成功的;但在正常的,具有免疫反應的細胞內,集群策略讓病毒受益,因為這樣可以讓病毒有更大機會去壓制住細胞可能產生的免疫反應。

    盡管集群策略看上去的確是對病毒有利,但它也會導致“欺詐型”病毒的同步進化。比如說,如果集群中的一個病毒失去了一部分基因,那么它就可以更快的復制,這樣一來它產生的后代數量就能超過集群中的其他同伴。這些基因出現缺失的病毒被稱作“缺陷干擾顆?!保―IPs):它們中的很多甚至會缺失超過90%的病毒基因,而僅僅以一小段RNA的形式存在,由于結構極為簡單,它們可以在宿主細胞內高速復制——但它們已經無法依靠自身能力感染細胞,因為自身結構過于簡單,失去了感染能力,它們必須“搭便車”,依靠和其他病毒顆粒集群,感染并進入細胞體內。根據一些觀察顯示,在集群進入細胞體內之后,這些新型的“占便宜者”數量迅速擴張,甚至可以占到所有病毒數量的99%以上!

    “缺陷干擾顆?!钡拇嬖跁隽硗庖粋€問題:這種占便宜的類型病毒出現,其他病毒會不會調整自己的策略,以確保自己的生存呢?加州大學舊金山分校的病毒學家拉爾·安蒂諾(Raul Andino)指出,在入侵宿主的初期,一個病毒會希望與很多不同類型的同伴同進退,因為這會增加它成功感染宿主的機會;但在隨后,它會希望減少同伴的種類,以防止“缺陷干擾顆?!边@類病毒混跡其中。但總體來說,這是一個人類還尚未完全厘清的領域,但的確都是非常有趣的問題。

     


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