People often think of evolution as

People often think of evolution as increasing complexity, but from the microbial point of view, simplicity is a fitness advantage. “The photosynthesizing cyanobacteria [in genus] Prochlorococcus, for example, are some of the genetically wimpiest bacteria in the world. Left to their own devices, these little cells would have an exceedingly difficult time just staying alive, and yet they're the most abundant photosynthesizing organisms on Earth,” says J. Jeffrey Morris, from Richard Lenski's lab at Michigan State University in East Lansing.

Morris and his colleagues initially watched thousands of generations of replicating Escherichia coli, a stand in for ocean-dwelling Prochlorococcus, cope with hydrogen peroxide and showed that helper cells leaking the hydrogen peroxide–detoxifying enzyme KatG enabled beneficiary bacteria to reduce their genomes and, therefore, to replicate with greater efficiency. They call this “the black queen hypothesis” (BQH), after the queen of spades in the game of hearts—the costly card everyone wants to avoid.

In contrast to the arms race described by the red queen hypothesis (doi:10.1093/biosci/biu066), the BQH is a passive affair. “Species are in a ‘race to the bottom,’ deleting the genes for as many costly functions as they can get away with,” Morris explains.

In their latest study (doi:10.1111/evo.12485), these researchers tested and confirmed the central prediction of the BQH: Normally competing bacterial strains can stably coexist because of the shared public goods produced by leaky producer cells—in this case, KatG—which these researchers describe as a form of cooperation.

“This is important because there isn't any long-term structure in open ocean microbial communities, and traditional evolutionary theory predicts that you wouldn't see any cooperation. But in reality,” claims Morris, “there's tons of cooperation around.”

For example, many microbial plankton species have jettisoned the genes needed to produce one or more essential vitamins and instead outsource them from or exchange them with other cells in their environment, says Stephen J. Giovannoni, from Oregon State University, in Corvallis. He argues that “most of the time, the fitness advantages of smaller genomes and lower cell replicating costs offset the potential fitness gains that would come from vitamin manufacture when the required nutrients are in short supply.”

As is exemplified by Prochlorococcus, extensive gene loss exists even among Cyanobacteria, a group that otherwise contains some of the most complex bacteria on Earth. But the reconstruction of archaeal genomes provides the most compelling evidence for the dominance of genome reduction and simplification in nature, according to Eugene V. Koonin and Yuri Wolf, at the National Institutes of Health's National Center for Biotechnology Information. “The pattern of gene loss and gain in archaea is not trivial; there seems to have been some net gain at the base of each major archaeal branch that was invariably followed by substantial gene loss,” they note in the journal Bioessays (doi:10.1002/bies.201300037).

Furthermore, when ancient Cyanobacteria were domesticated by the ancestors of plants, the bacteria deleted most of their genes or transferred them to the host nucleus, becoming chloroplasts, and, along with mitochondria, are considered “the ultimate realization of bacterial reductive evolution,” Koonin says. The association “dramatically increased the habitat of these photosynthetic bacteria from the sea to terrestrial ecosystems” and enabled plants to colonize the Earth, according to Ton Bisseling, at King Saud University, in Riyadh, Saudi Arabia, writing in Science (doi:10.1126/science.1256542).

Notably, though, in contrast to most other forms of microbial cooperation, BQH participants make no commitments. “At first glance, you might think that the interaction we studied involves altruism or, perhaps, some sort of reciprocal benefits. However, we know the initial state of the system, and we saw how it evolved over time in the lab. So we know the coexistence of the two [competing] bacterial types depends on the detoxification—on the protection—provided by the black queen function. Because that function is leaky, the detoxifiers can't help but produce a public good, and the beneficiaries simply take advantage of the cleaned-up environment to lose costly genes,” according to Lenski.

Giovannoni comments on the importance of “streamlining theory” to the BQH, explaining that it originally showed how gene loss works. He also notes that, although “some lost functions make interactions more complicated in ways predicted by the BQH, others enable cells to use resources more efficiently, without increasing interaction.”

“The concept of streamlining had little traction before the discovery of small-genome microbial cells in the oceans caused a shift in perceptions, putting greater emphasis on the high cost of metabolic functions in some ecosystems,” he says.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

คนมักคิดว่า การวิวัฒนาการเป็นการเพิ่มความซับซ้อน แต่จากจุลินทรีย์มอง ความเรียบง่ายมีประโยชน์ออกกำลังกาย "การ cyanobacteria [ในสกุล] photosynthesizing Prochlorococcus เช่น มีแบคทีเรียแปลงพันธุกรรม wimpiest ในโลก ซ้ายกับอุปกรณ์ของตนเอง เซลล์เล็ก ๆ เหล่านี้จะมีเวลายากไปอยู่เพียงมีชีวิตอยู่ และยัง เป็นสิ่งมีชีวิต photosynthesizing มากที่สุดในโลก กล่าวว่า เจเจฟฟรีย์มอร์ริส จากริชาร์ด Lenski แล็บที่มหาวิทยาลัยมิชิแกนใน East Lansingมอร์ริสและเพื่อนร่วมงานของเขาเริ่มดูพันรุ่นจำลอง Escherichia coli ยืนในมหาสมุทรบัน Prochlorococcus รับมือกับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และแสดงได้ว่า ผู้ช่วยเซลล์เอนไซม์ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ – ล้างพิษ KatG รั่วไหลใช้แบคทีเรียผู้รับผลประโยชน์เพื่อลด genomes ของ และ ดังนั้น การ replicate มีประสิทธิภาพมากขึ้น พวกเขาเรียก "สมมติฐานควีนดำ" นี้ (BQH), หลังจากแหม่มในเกมหัวใจ – บัตรราคาแพงที่ทุกคนอยากหลีกเลี่ยงตรงข้ามแข่งแขนโดยสมมติฐานราชินีแดง (doi:10.1093/biosci/biu066), BQH เป็นเรื่องที่แฝง "สปีชีส์อยู่ใน 'แข่งลงล่าง ลบยีนสำหรับฟังก์ชันค่าใช้จ่ายสูงมากที่พวกเขาสามารถรับไปกับ, " มอร์ริสอธิบายในการศึกษาล่าสุดของพวกเขา (doi:10.1111/evo.12485), นักวิจัยเหล่านี้ผ่านทดสอบ และยืนยันการคาดเดา BQH กลาง: สายพันธุ์แบคทีเรียปกติแข่งขันสามารถเริ่ม stably เนื่องจากสินค้าสาธารณะที่ใช้ร่วมกันผลิต โดยเซลล์โปรดิวเซอร์ที่รั่วซึ่งในกรณีนี้ KatG — ซึ่งนักวิจัยเหล่านี้อธิบายรูปแบบของความร่วมมือได้"นี้เป็นสิ่งสำคัญ เพราะไม่มีโครงสร้างระยะยาวในชุมชนจุลินทรีย์ทะเล และทฤษฎีวิวัฒนาการแบบทำนายว่า คุณจะไม่เห็นความร่วมมือใด ๆ แต่ในความเป็นจริง อ้างมอร์ริส "มีเป็นตันของความร่วมมือสถาน"ตัวอย่าง แพลงก์ตอนจุลินทรีย์หลายชนิดมี jettisoned ยีนที่จำเป็นในการผลิต น้อยวิตามินแทน outsource บัญชีออกจาก หรือแลกเปลี่ยนให้กับเซลล์อื่นในสภาพแวดล้อมของพวกเขา ว่า Stephen J. Giovannoni จากมหาวิทยาลัยรัฐโอเรกอน ใน Corvallis เขาจนว่า "ส่วนใหญ่แล้วการ" ออกกำลังกายข้อดีของ genomes เล็กลงและเซลล์ล่างจำลองต้นทุนออฟเซ็ตฟิตกำไรอาจจะมาจากวิตามินผลิตเมื่อสารอาหารจำเป็นในระยะสั้น อุปทานเป็น exemplified โดย Prochlorococcus สูญเสียยีนอย่างละเอียดอยู่แม้กระทั่งใน Cyanobacteria กลุ่มที่อื่น ประกอบด้วยของแบคทีเรียซับซ้อนมากที่สุดในโลก แต่การฟื้นฟู archaeal genomes ให้ถกเถียงมากที่สุดสำหรับการครอบงำของกลุ่มลดลงและรวบในธรรมชาติ ตาม Eugene V. Koonin และหมาป่า Yuri ที่ศูนย์ข้อมูลเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติในชาติสถาบันสุขภาพของ "รูปแบบของยีนขาดทุนและกำไรในอาร์เคียไม่เล็กน้อย พวกเขาดูเหมือนว่า มีบางอย่างกำไรสุทธิในแต่ละสาขาหลัก archaeal ที่ไม่คงเส้นคงวาตามสูญเสียยีนพบ หมายเหตุในราย Bioessays (doi:10.1002/bies.201300037)นอกจากนี้ เมื่อ Cyanobacteria โบราณถูก domesticated โดยบรรพบุรุษของพืช แบคทีเรียที่ลบส่วนใหญ่ของพวกเขา หรือโอน นิวเคลียสโฮสต์ เป็น chloroplasts และ กับ mitochondria ถือว่า "สำนึกที่ดีที่สุดของวิวัฒนาการกล้าหาญแบคทีเรีย Koonin กล่าวว่า ความสัมพันธ์ "อย่างมากเพิ่มของแบคทีเรียเหล่านี้ photosynthetic จากทะเลเพื่อระบบนิเวศภาคพื้น" และพืชที่เปิดใช้งานการ colonize โลก ตาม Bisseling ตัน มหาวิทยาลัยกษัตริย์สะอูด ในริยาด ซาอุดีอาระเบีย เขียนในวิทยาศาสตร์ (doi:10.1126/science.1256542)ยวด แม้ว่า ตรงข้ามส่วนใหญ่รูปแบบอื่น ๆ ของจุลินทรีย์ BQH ผู้เข้าร่วมได้ไม่มีข้อผูกมัด "อย่างรวดเร็วก่อน คุณอาจคิดว่า การโต้ตอบที่เราศึกษาเกี่ยวข้องกับ altruism หรือ บางที บางจัดเรียงของผลประโยชน์ซึ่งกันและกัน อย่างไรก็ตาม เรารู้สถานะเริ่มต้นของระบบ และเราเห็นว่ามันพัฒนาเวลาใน เพื่อให้เรารู้ว่ามีอยู่ร่วมกันของทั้งสอง [แข่งขัน] แบคทีเรีย ชนิดขึ้นอยู่กับการล้างพิษที่ — ในการป้องกันตัวโดยฟังก์ชันควีนดำ เนื่องจากที่ทำงานอยู่ที่รั่ว detoxifiers ที่ไม่สามารถช่วย แต่ผลิตสาธารณะดี และรับผลประโยชน์เพียงแค่ใช้ประโยชน์จากสภาพแวดล้อมสะอาดขึ้นเสียค่าใช้จ่ายสูงยีน ตาม LenskiGiovannoni ความคิดเห็นเกี่ยวกับความสำคัญของ "การควบคู่ไปกับทฤษฎี" การ BQH อธิบายว่า เดิมพบว่าวิธีการทำงานของยีนขาดทุน เขายังบันทึกว่า แม้ว่า "บางส่วนสูญเสียฟังก์ชันโต้ทำขึ้นมีความซับซ้อนในวิธีทำนาย โดย BQH อื่น ๆ ให้เซลล์ใช้ทรัพยากรได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเพิ่มการโต้ตอบ""แนวคิดของสตรีมมิ่งได้ลากเล็กน้อยก่อนการค้นพบเซลล์จุลินทรีย์กลุ่มเล็กในมหาสมุทรทำให้เกิดกะแนว วางเน้นฟังก์ชั่นเผาผลาญต้นทุนสูงมากในบางระบบนิเวศ เขากล่าวว่า

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

คนมักจะคิดว่าของวิวัฒนาการเป็นความซับซ้อนเพิ่มขึ้น แต่จากจุดของมุมมองของความเรียบง่ายคือ ฟิตเนส ประโยชน์ " ทำวิเคราะห์เรื่องรูปถ่าย ~ [ 7 ] prochlorococcus ตัวอย่างเช่นบางส่วนของแบคทีเรียดัดแปลงพันธุกรรม wimpiest ในโลก ซ้ายไปยังอุปกรณ์ของตัวเอง , เซลล์เล็กๆเหล่านี้จะมีช่วงเวลาที่ยากเหลือเกินจะมีชีวิตอยู่และพวกเขาก็ยังเป็นปริมาณมากที่สุดทำวิเคราะห์เรื่องรูปถ่ายสิ่งมีชีวิตบนโลก กล่าวว่า " เจเจฟฟรีย์มอร์ริสจากริชาร์ด เลนสกี้ แล็บที่รัฐมิชิแกนมหาวิทยาลัยในอีสต์แลนซิง .

มอร์ริสและเพื่อนร่วมงานตอนแรกดูหลายรุ่นที่ประสบความสำเร็จของ Escherichia coli , ยืนอยู่ในมหาสมุทร prochlorococcus ที่อยู่อาศัย ,รับมือกับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และพบว่าผู้ช่วยเซลล์ leaking ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และกระตุ้นเอนไซม์ katg ใช้ผลประโยชน์แบคทีเรียลดจีโนมของพวกเขาและจึงมากมีประสิทธิภาพมากขึ้น พวกเขาเรียกมันว่า " ราชินีสีดำสมมติฐาน " ( bqh ) หลังจากที่ราชินีโพธิ์แดงในเกมของหัวใจทุกคนค่า

การ์ดอยากหลีกเลี่ยงในทางตรงกันข้ามกับการแข่งขันอาวุธอธิบายโดยราชินีแดงสมมติฐาน ( ดอย : 10.1093 / biosci / biu066 ) , bqh เป็นเรื่องๆ " ชนิดใน ' การแข่งไปที่ด้านล่าง , ' ลบยีนเป็นฟังก์ชันที่แพงมากเท่าที่พวกเขาสามารถอยู่กับ " มอร์ริสอธิบาย

ในการศึกษาล่าสุดของพวกเขา ( ดอย : 10.1111 / Evo 12485 ) นักวิจัยเหล่านี้ทดสอบและยืนยันการคาดการณ์ของ bqh : ภาคกลางปกติแข่งสายพันธุ์แบคทีเรียอย่างถาวรสามารถอยู่ร่วมกันได้ เพราะสินค้าที่ผลิตโดยสาธารณะที่ใช้ร่วมกันรั่วผู้ผลิต เซลล์ ใน กรณีนี้ katg ซึ่งนักวิจัยเหล่านี้อธิบายเป็นรูปแบบของความร่วมมือ

" นี้เป็นสิ่งสำคัญเพราะมีไม่ใด ๆระยะยาว โครงสร้างในทะเลเปิดของชุมชน และทฤษฎีวิวัฒนาการดั้งเดิม ทำนายว่าคุณจะไม่เห็นความร่วมมือใด ๆ .แต่ในความเป็นจริง อ้างว่า มอร์ริส " มีตันของความร่วมมือรอบ ๆ "

ตัวอย่างเช่นสายพันธุ์จุลินทรีย์แพลงก์ตอนมี jettisoned ยีนที่จำเป็นในการผลิตหนึ่งหรือมากกว่าวิตามินและแทน outsource จากหรือแลกกับเซลล์อื่น ๆในสภาพแวดล้อมของพวกเขากล่าวว่า Stephen J . Giovannoni จากมหาวิทยาลัยในรัฐโอเรกอน คอร์แวลลิส . เขาแย้งว่า " ส่วนใหญ่ของเวลาฟิตเนสข้อดีของจีโนมมีขนาดเล็กลง และเซลล์ลดต้นทุนทดแทนชดเชยศักยภาพฟิตเนสกำไรที่จะมาจากวิตามิน ผลิตเมื่อสารอาหารที่จำเป็นในการจัดหาสั้น "

เป็น exemplified โดย prochlorococcus การสูญเสียยีนอย่างละเอียดอยู่แล้ว แม้แต่ในกลุ่มไซยาโนแบคทีเรีย มิฉะนั้นมีบางส่วนของแบคทีเรียที่ซับซ้อนมากที่สุดบนโลกแต่การ archaeal จีโนมมีหลักฐานที่น่าสนใจที่สุดสำหรับการปกครองของจีโนมการลดและหนึ่งเดียวในธรรมชาติตามยูจีนโวลต์ koonin และยูริ หมาป่า ที่สถาบันสุขภาพแห่งชาติของศูนย์แห่งชาติสำหรับข้อมูลชีวภาพ " รูปแบบของการสูญเสียยีนและได้รับในอาร์เคียไม่จุกจิก ;เหมือนจะมีกําไรสุทธิที่ฐานของแต่ละสาขา archaeal สาขาที่ถูกต้องตามด้วยการสูญเสียยีนมาก " พวกเขาทราบในวารสาร bioessays ( ดอย : 10.1002 / bies . 201300037 )

แต่ไซยาโนแบคทีเรียโบราณได้โดดเด่นโดยบรรพบุรุษของพืชแบคทีเรียลบที่สุดของยีนของพวกเขา หรือย้ายพวกเขาไปยังโฮสต์เป็นคลอโรพลาสต์ , นิวเคลียสและพร้อมกับไมโตคอนเดรีย , ถือว่าเป็น " สุดยอดของแบคทีเรียซึ่งก่อให้เกิดวิวัฒนาการ " koonin กล่าว สมาคม " เพิ่มขึ้นอย่างมากของพื้นที่อาศัยของแบคทีเรียสังเคราะห์แสงเหล่านี้จากทะเลระบบนิเวศบก " และทำให้พืชตั้งรกรากบนโลก ตาม bisseling กษัตริย์ซาอุด ตัน ในมหาวิทยาลัย ใน Riyadh , ซาอุดิอาระเบีย , การเขียนวิทยาศาสตร์ ( ดอย : 10 .1126 / วิทยาศาสตร์ 1256542 )

โดยเฉพาะ อย่างไรก็ตาม ในทางตรงกันข้ามกับรูปแบบอื่น ๆส่วนใหญ่ของความร่วมมือจุลินทรีย์ bqh ผู้เข้าร่วมไม่ผูกพัน " มองเผินๆ คุณอาจจะคิดว่า เราเรียนเกี่ยวกับด้านปฏิสัมพันธ์ หรือ บางที บางจัดเรียงของผลประโยชน์ซึ่งกันและกัน แต่เรารู้สถานะเริ่มต้นของระบบ และเราเห็นว่ามันวิวัฒนาการมาตลอดเวลาในแล็บเรารู้ว่าการอยู่ร่วมกันของทั้งสอง [ แข่งขัน ] แบคทีเรียชนิดขึ้นอยู่กับการล้างพิษในการป้องกันโดยฟังก์ชันราชินีสีดำ เพราะฟังก์ชันที่รั่ว , detoxifiers ไม่สามารถช่วย แต่ผลิตงานที่ดีและผลประโยชน์เพียงแค่ใช้ประโยชน์จากการทำความสะอาดสภาพแวดล้อมที่สูญเสียยีนราคาแพง " จากเลนสกี้

Giovannoni ความคิดเห็นเกี่ยวกับความสำคัญของ " ทฤษฎีใหม่ " เพื่อ bqh อธิบายว่า ปกติมันแสดงว่ายีนการสูญเสียงาน เขายังบันทึกว่า ถึงแม้บางคนสูญเสียฟังก์ชันให้ปฏิสัมพันธ์ซับซ้อนมากขึ้นในวิธีการทำนายด้วย bqh , คนอื่น ๆช่วยให้เซลล์ที่จะใช้ทรัพยากรมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยไม่เพิ่มปฏิสัมพันธ์ " .

" แนวคิดของการทำให้เพรียวลมได้ฉุดเล็กน้อยก่อนการค้นพบของจีโนมของจุลินทรีย์เซลล์เล็ก ๆในมหาสมุทรทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการรับรู้ การเน้นมากขึ้นในค่าใช้จ่ายสูงของฟังก์ชันการเผาผลาญอาหารในระบบนิเวศ " เขากล่าว