生物学重大发现,一种单细胞生物,表现出了匪夷所思的博弈机制


生物学重大发现,一种单细胞生物,表现出了匪夷所思的博弈机制

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来源:老胡说科学
我们习惯了“人多力量大”的逻辑,却忘了地球上绝大多数生命仍是单细胞。多细胞并非主流,而是一种特例。问题在于,为何会有细胞愿意放弃独立自由、拥抱协作共生?
答案,或许要从一个叫Stentorcoeruleus的庞大单细胞生物说起。
这是一种能长到2毫米的滤食性原生生物,单细胞,但却拥有复杂的纤毛结构和涡流操控能力。它生活在池塘中,一头附着在树枝或水草上,另一头像小号一样自由摆动,依靠纤毛制造水流,将细菌和微小猎物吸入口中。
看上去像是在孤独地进食。但实验显示,当你把多个Stentor放入培养皿,它们会很快“结群”。并非粘连在一起,而是用它们的“脚”——也就是基底部的附着结构——靠在同一个玻璃平面上。口部的“号头”则左右摇摆,协同进食。
一切看起来像是一场无声的合唱。
关键点来了:两只Stentor一起进食,所能形成的涡流和吸引范围,不是线性叠加,而是指数增强。一只的吸力是X,两只不是2X,而是接近2.2X甚至更高。这种流体动力学优势,使它们可以捕获更远、更快的猎物。科学家用Flowtrace技术记录下了它们制造的水流轨迹,像是微观世界里飘逸的丝带,又像量子系统的干涉图案。
但事情没那么简单。并不是每一只Stentor都从协作中同等受益。数据表明,弱者获益更大。本身制造涡流较弱的个体,在与强者协作中,捕食效率成倍提高。而强者反而在这种“合作”中受限。
这引发了一个更微妙的动态。
科学家注意到,这些Stentor并不总是成对摇摆,它们会周期性地靠近又远离,就像玩着“她爱我,她不爱我”的游戏。为什么?数学建模给出答案:它们在不断“换搭子”。
一只Stentor靠近一个邻居,等捕食效率开始下降,又会寻找下一个“性价比”更高的合作对象。整个过程,完全符合博弈论——个体在寻找“最优能量回报”的合作结构。
没有大脑,没有情感,但它们在做最理性的选择。
物理学家Kanso和Guo的模型显示,这种“搭子自由”带来的是全体平均效率的提高。就算个体间有分歧,系统整体却更高效。这一动态网络不断重构,形成了类似市场经济的优化格局。
这里没有基因克隆,没有固定结构,也没有永久关系。一切皆流动,一切皆互惠,哪怕只是一时。这或许是多细胞生命出现之前的前奏。
传统关于多细胞生命起源的模型,比如Volvox(团藻)那一套,是细胞分裂后不完全分离、被胶质包裹,从而形成一个固定的“细胞团”。这些细胞有共同祖先,基因完全一致,最终在长期演化中发生分化,形成不同职能的细胞。
但Stentor不是。它们基因不同、行为自由、结群短暂,却也能形成协同进食结构,极大提升集体捕食效率。说白了,这是演化早期的“自由搭伙”模式。
更讽刺的是,这些“集体”一碰桌子就散。实验室中,只要桌子轻微震动,整群Stentor就“散伙”了,像没有合约的打工人,一拍即合,一哄而散。
但再看细节:当实验室提供充足食物,它们就愿意长时间“抱团”,共享资源。但当食物短缺,它们立刻分散,转入独立“觅食”状态。
不需要人类教,它们已经懂了“经济周期”的真谛:资源宽松则合作,资源紧张则竞争。
科学家Shekhar对此的评论是,“人类也一样”。没错,我们不是更高级,只是规模更大。
从Stentor的涡流协同,到动态合作模式,物理在这里不是陪衬,而是核心驱动力。传统认为,生命的演化是分子层面的——某个基因突变,某种化学反应成功——而这项研究把目光从DNA转向水流,从分子变成了流场。
没有细胞壁的约束,也没有遗传指令的绑定,这种基于物理收益的临时协作或许是生命史上最早的“多细胞雏形”。
它提醒我们,多细胞不一定是亲缘的延伸,也可能是策略的演化。
物理流动引导细胞协同,协同产生更多能量,能量反过来加强协同——这是一个正反馈闭环。没有计划、没有领导,也没有神圣的“目标”,只有演化自然的选择。
这让所谓“群体意识”的起点,变得更加模糊。
重要的是,这一切都发生在完全不结团、不黏连、不长久的前提下。它挑战了我们对“生命共同体”的基本认知。
Stentor不是多细胞,但它已经具备多细胞的一切基础元素:个体间协作、能量流共享、成本收益博弈、动态协同网络。缺的,只是一个“把大家绑在一起”的生物机制——也许是蛋白质,也许是细胞壁,也许是遗传稳定性。
这篇刊登在《NaturePhysics》的研究,并不讲生命意义,只讲“流体力学”。但正是这些流动,构建了合作、演化了共生、提示了方向。
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文章作者: ZejunCao
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