吃和被吃是自然界的正常過程。這些捕食者-獵物的動(dòng)態(tài)有助于穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)。它確保單個(gè)物種不會(huì)變得過于豐富，控制其種群，并防止人口過剩造成的損害(例如，在森林中被鹿瀏覽或毛毛蟲對(duì)農(nóng)作物的破壞)。

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但是，捕食者為什么不簡(jiǎn)單地吃掉所有的獵物，從而破壞系統(tǒng)呢?亥姆霍茲環(huán)境研究中心(UFZ)的一個(gè)研究小組與德累斯頓技術(shù)大學(xué)(TU)和波茨坦大學(xué)的科學(xué)家一起，利用生活在水體中的細(xì)菌和原生生物對(duì)此進(jìn)行了研究，并發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的東西。

根據(jù)最近發(fā)表在ISME雜志上的一篇文章，細(xì)菌通過合作行為和進(jìn)化來保護(hù)自己免受掠食性原生生物的侵害。

在湖泊或河流中，僅10毫升水中就有1萬到1萬細(xì)菌。如此高的密度是必要的，因?yàn)榧?xì)菌會(huì)永久分解有機(jī)化合物和污染物，從而凈化水。但是，如果細(xì)菌過多，則可能導(dǎo)致病原體的傳播。防止這種情況需要捕食者：微觀原生生物，其中通常在<>毫升水中有幾百到幾千只個(gè)體。

它們不斷吃細(xì)菌，從而確保細(xì)菌發(fā)揮其清潔功能，但不會(huì)變得太豐富。利用細(xì)菌Pseudomonas putida和細(xì)菌原生生物Poteriospumella lacustris，研究小組研究了細(xì)菌各種防御策略的作用以及攝食抗性的形成如何與生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相關(guān)。

合作行為有幫助——但只是短期內(nèi)

在為期五周的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，正如預(yù)期的那樣，掠食性原生生物首先在細(xì)菌培養(yǎng)物中繁殖了一周，并減少了細(xì)菌的數(shù)量。然而，原生生物的數(shù)量在第二周迅速崩潰，因?yàn)榧?xì)菌產(chǎn)生了一種毒素，強(qiáng)烈抑制了這些捕食者的繁殖。

“只有當(dāng)相對(duì)大量的細(xì)菌加入并將相應(yīng)數(shù)量的毒素釋放到水中時(shí)，這種化學(xué)防御才會(huì)成功，”UFZ和德累斯頓工業(yè)大學(xué)的主要作者和水生生物學(xué)家Magali de la Cruz Barron博士說。

這種合作行為至少在短時(shí)間內(nèi)保護(hù)了整個(gè)人口。但幾天后，細(xì)菌不再分泌毒素，捕食者在第三周結(jié)束時(shí)恢復(fù)。無法確切地說出為什么會(huì)這樣。對(duì)這種現(xiàn)象的一種常見解釋是，形成了太多的“作弊者”。

在這種情況下，這些細(xì)菌本身不會(huì)形成毒素，但它們?cè)谌后w中受益于它們，因?yàn)樗鼈儾槐鼗ㄙM(fèi)任何自己的努力來保護(hù)自己?！暗俏覀兛梢栽跀?shù)學(xué)模擬的幫助下證明，如果替代防御策略發(fā)展，作弊者就沒有必要解釋這種模式，”Magali de la Cruz Barron解釋說。

個(gè)體防御持續(xù)時(shí)間長，穩(wěn)定人口密度

事實(shí)上，研究小組發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌從第三周開始發(fā)展的第二種防御機(jī)制。大多數(shù)細(xì)菌形成細(xì)絲(即細(xì)胞排列成鏈狀的線)。這些使細(xì)菌大10到100倍，體積更大，因此其中許多不能再被原生生物吃掉。這種個(gè)人行為是成功的。

細(xì)菌密度在第五周結(jié)束時(shí)穩(wěn)定下來。然而，仍然有足夠數(shù)量的細(xì)菌可以吃掉，因?yàn)闉榱朔敝?，?xì)菌必須不斷形成小單位，作為捕食者的食物。這也使原生生物能夠建立穩(wěn)定的種群密度。與毒素形成不同，細(xì)菌的個(gè)體防御是不可逆的。

“通過對(duì)細(xì)菌基因組進(jìn)行測(cè)序，我們已經(jīng)證明細(xì)絲的形成確實(shí)伴隨著遺傳物質(zhì)的變化。進(jìn)化就這樣發(fā)生了。不是在數(shù)百萬年的時(shí)間里，而是在短短幾天內(nèi)，“UFZ河流生態(tài)學(xué)系的合著者和負(fù)責(zé)人Markus Weitere教授博士說。這一觀察結(jié)果并不是全新的。眾所周知，進(jìn)化可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，特別是在細(xì)菌等快速生長的生物中。

“但值得注意的是，這種突變并非只發(fā)生過一次。實(shí)驗(yàn)經(jīng)常重復(fù)，并且總是進(jìn)行這些調(diào)整，“Weitere說。盡管基因組的變化可能是偶然發(fā)生的，但它會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌中可重復(fù)的適應(yīng)模式。

通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，研究小組展示了防御策略的形成如何影響捕食者 - 獵物系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，以及這種防御對(duì)于穩(wěn)定種群的重要性。同樣清楚的是，獵物物種不依賴一種策略是有道理的。

“根據(jù)情況，幾種策略中的一種可能會(huì)成功。在我們的實(shí)驗(yàn)中，正是快速的合作行為導(dǎo)致了最初的成功。最后，通過進(jìn)化實(shí)現(xiàn)的更繁瑣的個(gè)人防御導(dǎo)致了永久防御，“Weitere說。因此，個(gè)人保護(hù)占了上風(fēng)——即使最初的合作防御肯定對(duì)社區(qū)有利。

關(guān)鍵詞： 原生生物 合作行為 生態(tài)系統(tǒng) 德累斯頓