在自然界中，有些生物的行為讓人既震撼又困惑：它們會主動選擇“自我犧牲”以換取整個群體的生存機會。比如，某些細菌會分泌大腸桿菌素殺死競爭者，卻也因此難逃一死；蜜蜂在蜇刺敵人后會犧牲自身，以保護蜂群安全；甚至在人類疾病中，敗血性休克可能通過個體的死亡來限制病原體在群體中的傳播。這種無私奉獻的行為在生物界廣泛存在。然而，從演化角度來看，這種“自我犧牲”行為卻是一個巨大的謎題：既然這些個體無法存活下來繁殖后代，相關(guān)的基因似乎應(yīng)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(xù)的呢？

近日，由中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所定量合成生物學(xué)全國重點實驗室/合成生物進化研究中心的黃術(shù)強和傅雄飛課題組在國際微生物生態(tài)學(xué)會期刊The ISME Journal發(fā)表了題為"Strong segregation promotes self-destructive cooperation"的研究，通過定量合成生物學(xué)方法揭示了微生物如何在壓力環(huán)境中通過“自我犧牲”行為實現(xiàn)群體生存的新機制。

該研究發(fā)現(xiàn)，在極端分散（Strong segregation）的條件下，比如群體被分散成極小的單元（甚至初始群體只有1-2個個體）時，具有自我犧牲行為的群體（Self destructive cooperation,SDC）反而能夠在壓力環(huán)境中穩(wěn)定存在，在高強度的環(huán)境壓力下變得更加顯著。這一發(fā)現(xiàn)不僅解釋了微生物自我犧牲行為的演化邏輯，還為理解壓力環(huán)境如何塑造自我犧牲行為提供了新的理論。

01?理論預(yù)測強分散環(huán)境有利于自我犧牲行為的演化

另一方面，驗證演化理論一直是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，因為這需要考慮復(fù)雜的環(huán)境因素、漫長的演化時間以及眾多亞群體。為了應(yīng)對這一技術(shù)挑戰(zhàn)，研究團隊依托深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施（Shenzhen Synthetic Biology Infrastructure）開發(fā)了一套自動化實驗流程，對含有“犧牲者-作弊者（SDC-cheater）”的合成生物系統(tǒng)進行了高通量實驗操作，成功驗證了壓力環(huán)境塑造犧牲行為的新理論。

一般來講，個體的行為特征應(yīng)當(dāng)具備某種有助于生存和繁衍的優(yōu)勢，從而能夠代代相傳。群體選擇理論能夠解釋弱利他行為的演化，即：雖然群體中的合作者個體相對于非合作者個體處于競爭劣勢，但合作者依然能夠通過其他方式提升自身亞群（Subgroup）的適應(yīng)度，從而在群體層面上產(chǎn)生優(yōu)勢。然而，該理論難以解釋極端利他行為的演化，比如自我犧牲行為。這種行為看似完全犧牲了自身利益，不會在亞群內(nèi)留下后代，在群體內(nèi)部形成極端劣勢，而且這種劣勢往往難以通過群體層面的潛在收益來彌補。這與傳統(tǒng)理論理解存在一定的矛盾。

針對微生物自我犧牲行為的演化，本研究提出了一種新的解釋：在極端分散的環(huán)境中，會形成大量的同類種群（都具備自我犧牲行為，或都具備作弊行為）和少量的異類種群（自我犧牲行為和作弊行為同時存在）。當(dāng)施加環(huán)境壓力或遇到外敵入侵時，具備自我犧牲行為的同類種群會通過部分個體的自我犧牲保護同伴，從而讓整個種群存活下來;相反，具備作弊行為的種群則會逐漸消失。最終，大量具備自我犧牲行為的個體得以保留，從而使得“犧牲基因”能夠穩(wěn)定流傳。研究還發(fā)現(xiàn)，環(huán)境壓力越強，這種自我犧牲行為的保留效果越顯著。這一理論不僅解釋了自我犧牲行為的演化邏輯，還為理解壓力環(huán)境如何塑造自我犧牲行為提供了新的視角。

02?開發(fā)自動化實驗流程驗證自我犧牲行為的演化

盡管理論分析表明，在強分散的環(huán)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(zhàn)。主要難點在于：如何構(gòu)建一個可重復(fù)的實驗方案來準(zhǔn)確模擬這種行為及其與“作弊者”之間的關(guān)系，以及整個演化過程。

為應(yīng)對該技術(shù)挑戰(zhàn)，研究團隊首先利用構(gòu)建的合成生物學(xué)系統(tǒng)來分別模擬“犧牲者-作弊者”，其中，“犧牲者”通過程序性死亡（Programmed cell death）釋放公共產(chǎn)物（Public goods），公共產(chǎn)物能夠有效降低環(huán)境壓力使幸存者存活；而“作弊者”既不產(chǎn)生公共產(chǎn)物也不進行程序性死亡。然后，依托合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施和自主開發(fā)的自動化實驗流程（自動化生物鑄造廠）精確控制兩者的初始比例、分散強度和環(huán)境壓力（Stress）等關(guān)鍵變量，系統(tǒng)性地評估了這些因素對自我犧牲行為的影響。

實驗驗證了在一定環(huán)境壓力下，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，當(dāng)增加環(huán)境壓力（提高抗生素濃度）時，該演化結(jié)果更加明顯。這一結(jié)果與理論預(yù)測高度一致，表明定量合成生物學(xué)技術(shù)和高通量自動化實驗流程的結(jié)合，可以有效驗證復(fù)雜的演化生物學(xué)問題。

該研究拓展了演化生物學(xué)研究中經(jīng)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，本研究展示了定量合成生物學(xué)與重大科技基礎(chǔ)設(shè)施在探索復(fù)雜演化現(xiàn)象中的巨大潛力。該發(fā)現(xiàn)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(yīng)用領(lǐng)域提供新的理論指導(dǎo)。

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院研究員黃術(shù)強和傅雄飛為本文共同通訊作者。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院博士生溫羚玲；中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院副研究員白陽為論文的共同第一作者。該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃“合成生物學(xué)”專項和中國科學(xué)院先導(dǎo)項目等支持。

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圖1. 強分散促進自我犧牲行為的演化。圖中展示了在強分散（Strong segregation）條件下，自我犧牲行為如何通過分散、增殖、加壓和合并四個步驟演化的過程。左側(cè)顯示，在強分散條件下，自我犧牲者的比例增加，表明自我犧牲行為更易被選擇；右側(cè)則顯示，在弱分散條件下，自我犧牲者的比例減小，表明自我犧牲行為逐漸消亡。

圖2 自動化生物鑄造廠驗證強分散下的自我犧牲行為演化。展示了使用生物工廠技術(shù)的自動化實驗流程，包括細胞密度測量、強稀釋、分離、培養(yǎng)和監(jiān)測等步驟。