Jeśli potwierdzi się hipoteza, że bakterie żyjące w jelitach przyczyniają się do bezinteresownych zachowań gospodarza, znajdziemy być może rozwiązanie zagadki sięgającej czasów Darwina. 

Pasożyty należą do najzręczniejszych manipulatorów w świecie natury. Ich „specjalnością zakładu” jest skłanianie gospodarza do irracjonalnych i szkodliwych zachowań. Toxoplasma gondii sprawia, że myszy same wychodzą do kotów czekających, by je pożreć. Mrówki zarażone motyliczką wątrobową wspinają się na źdźbła trawy i są zjadane przez krowy i owce. Nitnikowiec Spinochordodes tellinii zmusza pasikoniki do samobójstwa przez utonięcie, gdyż chce się dostać do wody. We wszystkich tych przypadkach gospodarz ponosi śmierć na korzyść pasożyta, umożliwiając mu domknięcie cyklu rozwojowego.

Badacze zaczęli ostatnio stawiać sobie pytanie, czy pasożyty potrafią skłaniać gospodarzy również do zachowań bezinteresownych. Być może za wiele aktów wewnątrzgatunkowego altruizmu w królestwie zwierząt odpowiadają bakterie. Na pozór łatwo wyjaśnić altruizm w kategoriach etycznych lub strategicznych, lecz biolodzy ewolucyjni od czasów Darwina zmagali się problemem jego miejsca w świecie opartym na zasadzie przetrwania najlepiej przystosowanych osobników. Jeżeli drobnoustroje żyjące w jelitach lub innych tkankach z własnych samolubnych pobudek powodują wspaniałomyślność gospodarza, wspomniany problem stanie się mniej zagadkowy.

Potwierdzeniem teorii mogą być model matematyczny i symulacja komputerowa opracowane niedawno przez trójkę badaczy z Uniwersytetu w Tel Avivie. Badacze wykazali, że przekazywalne bakterie, które skłaniały gospodarza do zachowań altruistycznych wygrywają w walce o przetrwanie z bakteriami, które tego nie robiły. Gdy to nastapiło, altruizm stał się trwałą cechą w populacji gospodarzy. Wyniki opublikowano w tym roku w piśmie „Nature Communications”.

„To zupełnie fascynujące. Nie myśleliśmy dotąd o altruizmie w kategoriach relacji między gospodarzem a mikrobiomem”, mówi James Bienenstock, biolog z McMaster University w Hamilton i kierownik Brain-Body Institute w St. Joseph’s Healthcare w Hamilton. Choć nie był członkiem zespołu badawczego podkreśla: „Potencjalna rola mikroorganizmów żyjących w organizmie jest nie do podważenia”.

Kiedy Darwin rozwijał teorię głoszącą, że w każdym pokoleniu najsilniejsze i najsprawniejsze osobniki mają najlepszą szansę na dostęp do zasobów i pozostawienie po sobie potomstwa, altruizm był dlań nie lada wyzwaniem. „Niemożebne jest więc, aby ludzie obdarzeni społecznemi przymiotami, zwiększali się w liczbę na mocy przyrodniczego doboru, to jest na mocy tego prawa, które powiada, że przy życiu zostają najzdolniejsze jednostki”[1], pisał w dziele Pochodzenie człowieka i dobór płciowy.

Altruizm miałby jego zdaniem sens, gdyby zachowania kooperacyjne poszczególnych osobników dawały grupie zbiorową przewagę. Grupa stawałaby się wówczas lepiej przystosowana względem grup składających się z bardziej samolubnych jednostek. Model ewolucji przez dobór grupowy rozwinęli później inni uczeni. Do jego najważniejszych orędowników zaliczał się choćby słynny zoolog Konrad Lorenz.

Jednak w latach sześćdziesiątych XX wieku prace wpływowych ewolucjonistów w rodzaju Johna Maynarda Smitha i George’a C. Williamsa zadały tej teorii potężny cios. Okazało się, że samolubne osobniki wciąż pojawiają się spontanicznie w rozmaitych populacjach a do tego mają więcej potomstwa, wyprzedzając tym samym osobniki skłonne do współpracy i utrwalając egoizm w ramach grupy.

W 1964 roku biolog William D. Hamilton sprytnie ominął problem, opisując strategię nazwaną przez Maynarda Smitha mianem doboru krewniaczego. Altruizm może przetrwać jeśli działania pomocnego osobnika pomogą jego krewniakom przekazać dostatecznie dużo wspólnych genów, by zrekompensować mu tym samym brak lub niewielką liczbę potomstwa. Formalnie wyraża to reguła Hamiltona (C < rB) – jeśli koszt ponoszony przez bezinteresownego osobnika (C) jest mniejsza niż korzyść beneficjenta (B) pomnożona przez stopień pokrewieństwa dawcy i odbiorcy pomocy, altruizm będzie dominował w danej populacji.

Reguła Hamiltona tłumaczy, dlaczego altruizm rozwinął się wśród mrówek i pszczół, które, jak każdy wie, są stworzeniami społecznymi. Z powodu haplodiploidalności robotnice dzielą więcej genów ze swymi siostrami niż z własnym potomstwem. Jest więc sensowne poświęcić własną płodność, by pomóc królowej wydać na świat więcej sióstr. Jednak zastosowanie reguły w przypadku innych zwierząt to bardzie złożona kwestia. (Genetyk J.B.S. Haldane, który jako jeden z pierwszych uczonych zajmował się zagadnieniami z zakresu doboru krewniaczego już w latach trzydziestych miał ponoć zażartować, że gotów jest oddać życie za swych dwóch braci – albo za ośmiu kuzynów).

Dobór krewniaczy to przykład teorii „przystosowania inkluzywnego”, rozwijanych od lat siedemdziesiątych XX wieku. Popularność odzyskały też teorie „doboru wielopoziomowego”, obejmujące dobór grupowy w rozmaitych postaciach – jednym z ich orędowników jest choćby biolog David Sloan Wilson z Binghamton University – lecz nadal pozostają kontrowersyjne.

Co do samego altruizmu „można znaleźć wiele wyjaśnień, a mimo to wciąż pozostaje on zagadką” mówi Ohad Lewin-Epstein, biolog i programista z Uniwersytetu w Tel Avivie. Będąc studentem w laboratorium profesor Lilach Hadany brał on udział w badaniach na temat wpływu współpracy przedstawicieli danej populacji na ewolucję nowych cech. W miarę postępu prac zespół doszedł do wniosku, że klasyczne teorie ewolucji i kooperacji są nie w pełni wystarczające. Hadany i Lewin-Epstein oraz Ranit Aharonov, informatyczka z IBM Research przebywająca na uniwersytecie w ramach stażu, zaczęli się zastanawiać, czy to możliwe, że drobnoustroje manipulują swymi gospodarzami, by skłonić ich do pomagania innym.

Uczeni z Tel Avivu pragnęli rzucić więcej światła na kwestię dyskutowaną już od dłuższego czasu: czy przekazywalne, „przygodne” czynniki wpływają na altruizm. W 2013 roku Sorcha Mc Ginty, biolożka z Uniwersytetu w Zurichu stworzyła wraz ze współpracownikami model komputerowy demonstrując, że plazmidy (geny przenoszące się z jednej bakterii do drugiej) pomogły dać początek ewolucji zachowań kooperacyjnych wśród bakterii. Dwa lata później zespół z L’Université Paris Descartes wykazał eksperymentalnie, że określone plazmidy otrzymywane przez bakterię „przeprogramowują ją” i zmuszają do działania na rzecz dobra wspólnego, bakteria zaczyna bowiem wydzielać białka niszczące obecne w otoczeniu antybiotyki, na czym zyskuje cała grupa. Według Lewina-Epsteina i Hadany tego rodzaju wyniki zmuszały by postawić pytanie, czy drobnoustroje lub pasożyty przenoszące się między bardziej skomplikowanymi gospodarzami także wymuszają kooperację.

By udzielić wyczerpującej odpowiedzi uczeni z Tel Avivu stworzyli model matematyczny oraz symulację komputerową, analizujące interakcje między członkami populacji na przestrzeni setek (a w niektórych wypadkach tysięcy) pokoleń. Model zakładał, że altruistyczni członkowie grupy ponoszą pewne koszty jeśli chodzi o przystosowanie, natomiast odbiorcy altruistycznej pomocy czerpią korzyści. Przyjęto szeroką definicję altruizumu, mówi Lewin-Epstein. Koszty dla bezinteresownych jednostek były różnorakie – czasem niewielkie, czasem bardzo duże.

Następnie badacze zestawili ze sobą dwa rodzaje wirtualnych drobnoustrojów: jeden sprzyjał altruizmowi gospodarza, drugi nie. W każdym pokoleniu poszczególne bakterie obu rodzajów mogły przenosić się między organizmami gospodarzy oraz między gospodarzami a ich potomstwem. Z czasem okazywało się, że bakterie skłaniające gospodarzy do bezinteresownych zachowań wygrywają z rywalami. Mechanizm ten działał nawet wówczas, gdy populacja bakterii „proaltruistycznych” była początkowo bardzo mała. Gospodarze, którzy otrzymali proaltruistyczne bakterie byli z kolei lepiej przystosowani, bo mogli spłodzić potomstwo (a wówczas przekazywali mu proaltruistyczne drobnoustroje).

Pod koniec symulacji populacja gospodarzy składa się głównie z nosicieli bakterii skłaniającej do altruizmu (w niektórych iteracjach gospodarzy takich było sto procent). W rezultacie zachowania altruistyczne utrwaliły się jako norma. Ich stabilny poziom odnotowywano nawet mimo występowania egoistycznych gospodarzy. Model matematyczny i symulacja wykazały również, że altuizm powodowany przez przenoszenie bakterii stawał się z czasem bardziej stabilną cechą populacji niż altruizm przekazywany genetycznie.

„Dotąd rozważano altruizm wyłącznie z perspektywy gospodarza – mówi Hadany. – Klasyczne modele tłumaczyły ewolucję altruizmu tylko w określonych okolicznościach. My natomiast możemy opisać ją w szerokim kontekście”. Andrew Moeller, biolog ewolucjonista z University of California w Berkeley badający mikrobiomy w jelitach podkreśla, że temat zasługuje na rozwinięcie. „Bakterie mogą wpływać na zachowania swych zwierzęcych gospodarzy, nie jest zatem wykluczone, że promują również altruizm”.

Są już prace poświęcone temu, w jaki sposób bakterie kontrolują funkcjonowanie mózgu gospodarza lub jego zachowania społeczne. Elaine Hsiao, biolożka z University of California w Los Angeles odkryła niedawno, że bakterie w zdrowej okrężnicy skłaniają komórki do wytwarzania serotoniny, która następnie przedostaje się do krwiobiegu. Serotonina wpływa na skurcze jelit, jest także neuroprzekaźnikiem. Leki w rodzaju Prozacu wchodzą z nią w reakcje, łagodząc objawy stanów lękowych i depresji.

Rozmaite badania nad zwierzętami także potwierdzają, że flora bakteryjna w jelitach wpływa na układ hormonalny i nerwowy. W 2014 roku Isvarya Venu z McMaster University odkryła, że larwy muszek owocowych silnie i pozytywnie reagują na obecne w powietrzu związki chemiczne uwalniane przez bakterie żyjące w ich układzie pokarmowym. Larwy lecą do miłego im zapachu i w ten sposób się spotykają, bakteria zaś odnosi korzyści, gdyż może przenieść się do organizmów kolejnych gospodarzy. Wpływ mikrobiomu na zachowania określa się mianem „osi mikrobiom-jelita-mózg”. Jest więc możliwe – choć nie zostało to na razie dowiedzione – że związki chemiczne produkowane przez bakterie wpływają na układ nerwowy i sprzyjają bezinteresowności.

Artykuł opublikowany w „Nature Communications” odnosi się też do innej kwestii a mianowicie tego, czy obecność bakterii sprzyjających altruizmowi może zapoczątkować ewolucyjny wyścig zbrojeń między bakteriami i ich gospodarzami. Wszak w interesie gospodarza leży czasem stawianie oporu bakteriom. Opór ten oznaczałby, że gospodarz zachowuje dla siebie więcej zasobów i tym samym maksymalizuje swe szanse przetrwania. „Jeśli u gospodarza wystąpi mutacja, która uczyni go odpornym na manipulacje bakteryjne, wówczas zacznie się on zachowywać mniej altruistycznie”, mówi Hadany.

Wtedy jednak bakterie przypuszczą kontratak i znajdą nowe sposoby manipulowania gospodarzami lub zaproponują im rozwiązanie typu „wszyscy wygrywają”. „W drodze doboru naturalnego powstanie nowa bakteria, dobra dla gospodarzy”. Nieważne zresztą, czy większe korzyści odnosi gospodarz czy bakteria – ta druga ma zawsze asa w rękawie. „Liczba pokoleń bakterii jest ogromna, co daje im ewolucyjną przewagę”, tłumaczy Hadany.

Jeśli teoria Hadany i Lewina-Epsteina nie zostanie sfalsyfikowana, może mieć ogromny wpływ na nasze podejście do interwencji medycznych, które wpływają na florę bakteryjną jelit. Skoro bakterie odgrywają rolę w naszych zachowaniach społecznych – również altruistycznych – wszelkie zakłócenie równowagi, choćby za sprawą antybiotyków lub probiotyków, może potencjalnie zmienić sposób, w jaki się do siebie nawzajem odnosimy. Co jeśli jedna grupa badanych dostanie potężną dawkę antybiotyku, a druga grupa nie? Czy pierwsza grupa, pozbywszy się bakterii zdolnych do manipulowania zachowaniem, stanie się bardziej samolubna od drugiej?

Wstępne wyniki badań eksperymentalnych wskazują, że może istnieć związek między zażywaniem antybiotyków a zachowaniami społecznymi. Kiedy Bienenstock podał niewielką dawkę antybiotyku myszom in utero i myszom zaraz po przyjściu na świat okazało się, że są one mniej towarzyskie i bardziej agresywne niż myszy z grupy kontrolnej. (Wyniki te opublikowano w kwietniu 2017 roku). Potrzeba więcej badań, by potwierdzić istnienie zależności przyczynowo-skutkowej, przyznaje Bienenstock. Na razie nie da się wykluczyć, że zaobserwowana różnica to skutek bezpośredniego oddziaływania antybiotyków na mózg lub innych czynników rozwojowych. „Jest jednak prawdopodobne, że chodzi o zaburzenie flory bakteryjnej w jelitach, wytwarzającej związki chemiczne potrzebne mózgowi”, mówi Bienenstock. Kiedy owych związków brakuje, mózg nie funkcjonuje w sposób optymalny. Co teoretycznie u pewnych osobników może powodować wzrost zachowań egoistycznych.

Bienenstock i jego współpracownicy przeanalizowali, w jaki sposób antybiotyki mogą wpływać na prospołeczność myszy, ale nie wiedzą jeszcze, jak dokładnie mają się do zachowań altruistycznych. Logicznym następnym krokiem jest opracowanie eksperymentu, który wykaże, czy myszy otrzymujące antybiotyki są bardziej czy też mniej skłonne pomagać innym, mówi Arnon Lotem, ekolog z Uniwersytetu w Tel Avivie. (Lotem nie jest członkiem zespołu badawczego Lewina-Epsteina i Hadany). W eksperymencie należałoby wykorzystać osobniki w różnym wieku celem ustalenia, czy potencjalny „efekt egoizmu” nasila się w wybraych fazach życia. „Może nic z tego nie będzie i fajna hipoteza nie znajdzie potwierdzenia”, mówi Lotem. Jeśli jednak jest trafna „to będzie fenomenalne”.

Hadany i jej współpracownicy testują właśnie swą teorię w warunkach laboratoryjnych szacując wpływ antybiotyków na zachowania społeczne owadów. „Nasz model przewiduje ogólnie, że interwencje, które radykalnie zmieniają mikrobiom mogą obniżać skłonność do altruizmu”, mówi Hadany. I dodaje, że międzygatunkowe przekazywanie bakterii – na przykład od psa do człowieka lub w drugą stronę – może mieć wpływ na międzygatunkowy altruizm. Tę hipotezę także da się zweryfikować dzięki modelom matematycznym.

Jeżeli nasze najważniejsze decyzje dotyczące odnoszenia się do innych osób zapadają pod wpływem niewidzialnej bakteryjnej ferajny, wyniki przyszłych badań pozwolą znacznie lepiej zrozumieć bezinteresowność czy szczodrość. Bienestock podkreśla, że dowiedzenie tego zupełnie zmieni podstawowe założenia na temat świadomych myśli i czynów. „Każdy organizm wchodzi w relacje z bakteriami, wirusami i tak dalej. Nie da się badać altruizmu bez badania gospodarza”. Hadany przyznaje, że pod wpływem swych badań zaczęła inaczej myśleć o wolnej woli. „W przypadku każdego zachowania zastanawiam się teraz: «Czy to ja, czy moje bakterie?»”.

[1] Karol Darwin, Pochodzenie człowieka i dobór płciowy, przeł. Ludwik Masłowski, Księgarnia Polska A.D. Bartoszewicza i M. Biernackiego. Lwów 1884, s. 182.

Artykuł przedrukowano za zgodą QuantaMagazine.org, redakcyjnie niezależnej publikacji Simons Foundation, której misją jest popularyzowanie wiedzy na temat rozwoju badań w dziedzinie matematyki i fizyki oraz nauk przyrodniczych.