黑皇后假說:擺爛耍廢也是種演化生存之道!

紅皇后假說:演化是場持續努力的軍備競賽

在疫情全球大流行之下,你是否想過這些類似的疾病,為何總是一波還未平息一波又來侵襲,似乎沒有永遠擺脫的一天呢?這個問題,我們可以用演化學中的紅皇后假說來說明。

紅皇后假說 (Red Queen Hypothesis) 是由美國古生物學家 Van Valen 在 1973 所提出。紅皇后一詞起源自英國小說《愛麗絲鏡中奇遇》,故事中的紅皇后說:「在這裡,你必須全力奔跑才能停在原地。」而在演化學上,Van Valen 認為生物必須全力奔跑(演化),才能停在原地(存活),如同一場無止盡的賽跑。

回到一開始的問題,病毒與人類的關係就符合紅皇后假說的說法。當一場流行病爆發後,人體會開始試著辨識出病毒並且消滅,隨著具有抗體的人增加,病情開始趨緩。然而病毒中總會演化出能夠再次入侵人體的新病毒,再次導致流行疾病。於是人類與病毒就這樣不斷的輪流領先,年復一年的前進,但彼此間的距離卻從沒拉開。

而按照紅皇后假說,生物的演化必然是越來複雜,越來越優秀。是個有競爭力還要繼續努力奮發向上的演化解讀,今天文章主要來提供另一種視角了:相對於紅皇后的角色,當然是黑皇后啦!

黑皇后假說提供了另一種面向:想活下來,有時候耍廢也是個好方法。

愛麗絲與紅皇后必須向前奔跑才能停在原地,紅皇后假說用此故事比喻生物必須不斷向前進化,才能保持生存。(圖/Through the Looking-Glass, and What Alice Found There.)

黑皇后假說:耍廢有時可以活得更好

黑皇后假說 (Black Queen Hypothesis) 由美國的生物學家 Morris 等人在 2012 年提出,故事要從海洋上的耀眼陽光說起。

當太陽光照射海水時,會使得海水中的有機物分解,產生有毒性的過氧化氫分子 (H2O2, hydrogen preoxide),也就是雙氧水的主要成分,因此有一些藍綠菌會產生一種名為 KatG 的酵素來抵抗過氧化氫。然而 Morris 等人發現,有另一些藍綠菌,曾經具有產生 KatG 的能力,但現在卻沒有了。

Morris 等人認為,因為 KatG 是一種需要鐵原子的元素,生物如果失去了合成 KatG 的能力,可以節省能量並有助於在缺乏鐵的環境下生存。那麼這些生物要處理過氧化氫的問題呢?擺爛啊。嗯沒錯,就是擺爛,因為具有 KatG 的藍綠菌可以去除水中的過氧化氫,因此只要這些藍綠菌去降低水中過氧化氫的濃度,那些不具有 KatG 的菌種就可以安穩的活下來,並且省下一堆能量,生活可說是輕鬆又快活。

藍綠菌組成的疊層石是地球上最古老的化石之一。(圖/Barn @Pixabay,CC0)

這個案例包含了四個黑皇后假說的要點:

  1.  某個需要耗費大量能量或營養的產物。(KatG 酵素)
  2.  只有部分物種生產該產物,為「協助者」。(部分藍綠菌生產 KatG)
  3.  產物可以幫助「受益者」生存。(KatG 降低水中過氧化氫濃度)
  4.  產物對於生存相當重要。

在黑皇后假說中,生物的祖先原是一群協助者,但其中部分的個體為了節省能量與資源,於是在演化的過程失去了該項能力,成為了受益者演化出現之後便開始增加,直到協助者無法負荷為止,讓兩者數量達到平衡。但若有第三方可以提供該項產物,那麼受益者便會不斷排擠掉協助者的生存資源,甚至會使協助者滅絕。

「耍廢」過得就比較好嗎?「爛好人」該如何大反攻?

從上面的例子看來,受益者似乎對於協助者有害。確實當兩者具有共同的需求時,例如:食物、空間……等資源時,受益者的增加會導致協助者的減少。但有時受益者與協助者也不需要競爭相同的資源,這時兩者之間也可以是片利甚至是互利的關係。

但不論是哪一種類型的關係,受益者似乎都不會吃虧,那麼協助者就只能夠當一個任勞任怨的爛好人嗎?這就要回過頭來說說,「黑皇后」除了與「紅皇后」相互映襯,其實還有另一個意義。

經典樸克牌遊戲「傷心小棧 (Hearts)」中,每張紅心牌代表 1 分,黑桃Q代表 13 分,因此玩家們必須盡力不去獲得分數。然而這個遊戲有個特別規則,被稱為「豬羊變色」或者「射月 (shooting the moon)」,就是當有玩家拿下所有分數牌時,就能逆轉結果,大幅地增加其他玩家的分數。

黑皇后假說取名自撲克牌遊戲傷心小棧,其中黑桃Q為遊戲關鍵。

遊戲中的分數如同協助者的工作一樣,獲得越多越不好。但如果絕大多數生物都選擇不去承擔,而讓少數協助者獨自掌握了一項相當重要的工作時,那麼它在生態系統中的重要性就會大幅提升,甚至能成為所謂的「關鍵種 (keystone spicies) 」,以較少的生物量卻能對於生態系造成巨大的影響。

在遊戲中,最關鍵一張牌,就是分數最多的黑桃 Q,有著最大的風險,也是達成「豬羊變色」不可或缺的一張牌。這就是為何Morris 等人要以黑皇后來命名這個假說,比喻著眾人避之唯恐不及,有時卻又能夠逆轉戰局的那項重要任務。

紅皇后與黑皇后,演化的兩種面向

紅皇后假說的出現,讓我們知道環境的變遷並非演化唯一的動力,生物間的競爭也可以讓生物隨著時間進行改變。而黑皇后假說則向我們展示,除了向前競爭以外,向後依賴也是一種的選擇。

(所以當你的報告組員都不做事的時候,想想黑皇后理論,或許就不會這麼憤怒……並沒有,我還是很生氣 (/‵Д′)/~ ╧╧)

參考資料

  • Morris, J. J., Lenski, R. E., & Zinser, E. R. (2012). The Black Queen Hypothesis: evolution of dependencies through adaptive gene loss. MBio3(2), e00036-12.

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一位小小小小地科研究生

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