蜜蜂的"自殺式攻擊"是自然界的生存智慧之一，工蜂尾針刺入人體后強行掙脫時會撕裂內臟死亡，但蜇刺釋放的報警信息素能瞬間召集同伴，被蜇者皮膚殘留的毒液還會增強其他蜜蜂的攻擊性，形成蜂群的連鎖防御策略。
雖然個體生命消逝，但個體行為有效保護了蜂巢安全。這種“自我犧牲”行為在生物界廣泛存在。然而，在生物演化過程中始終存在著一個謎題：既然這些個體無法存活下來繁殖后代，相關的基因似乎應該逐漸消失。那么，這種行為是如何在自然選擇過程中得以延續的呢？
記者從中國科學院深圳先進技術研究院了解到，近日，該院定量合成生物學全國重點實驗室研究員黃術強及傅雄飛團隊聯合在《國際微生物生態學會期刊》發表最新研究，通過定量合成生物學方法揭示了微生物如何在壓力環境中通過“自我犧牲”行為實現群體生存的新機制。
研究團隊基于合成生物學技術，在前人構建的具有"自我犧牲"行為的犧牲者（Self-destructive cooperation, SDC）菌株基礎上，進一步構建了作弊者（Cheater）菌株。犧牲者菌株內置裂解蛋白，受外界刺激后破裂釋放β-內酰胺酶，定向降解抗生素以降低環境壓力。實驗顯示，該機制通過進化選擇顯著提升了菌群適應性——犧牲者雖死亡，但其酶解作用使群體存活率提高。這種可控的協同進化模型證實：微生物群落中通過環境壓力調控的利他行為可以在種群內部獲得顯著進化優勢。
那么，這種極端的演化模式在物種進化的過程中為何能一直存在呢？
理論研究顯示，強分散環境可顯著促進自我犧牲行為的進化：當微生物被分隔為1到2個個體的微單元時，有單獨個體繁衍出的群體具有統一的基因型，“犧牲者”"群體通過主動消亡釋放降解抗生素的公共產物，使“犧牲者”群體存活率在壓力刺激下得以提升；而"作弊者"群體中因沒有個體貢獻而整個群體逐漸被淘汰。
研究人員介紹，盡管理論分析表明，在強分散的環境中，自我犧牲行為可以維持并演化，但實驗驗證依然面臨許多挑戰。主要難點在于：如何構建一個可重復的實驗方案來準確模擬這種行為及其與“作弊者”之間的關系，以及整個演化過程。
而可重復實驗的難點在于：如何保證在添加抗生素時，細菌密度的一致性，在強分散環境下，菌株的生長差異非常大。在合成生物研究重大科技基礎設施的助力下，機器替代了人手將每塊384孔板加入不同體積的菌液的操作，高通量、標準化、自動化的機器完成了繁瑣的手工實驗，解決了技術性難題，提高了實驗效率和數據的一致性。
通過自動化實驗平臺證實：分散強度與選擇壓力都會影響自我犧牲行為的演化結果——弱分散操作有利于“作弊者”的演化，而強分散操作更有利于“犧牲者”的演化，該效應隨抗生素濃度（環境壓力）升高呈指數增強。
該研究拓展了演化生物學研究中經典的群體選擇理論，揭示了強分散如何促進自我犧牲行為的演化，為理解利他行為的演化機制提供了新的視角。同時，該研究展示了定量合成生物學與重大科技基礎設施在探索復雜演化現象中的巨大潛力。該發現不僅有助于解析自然界中極端利他行為的演化邏輯，還可能為生物膜控制、抗生素耐藥性治理等實際應用領域提供新的理論指導。
相關論文信息：https://doi.org/10.1093/ismejo/wraf043