Проблема обманщиков (в биологии)

В англоязычной литературе для обозначения проблемы обманщиков принят термин cheating (читинг, читерство), который на русский может переводиться как «мошенничество», «жульничество», «обман», а в некоторых случаях – даже «предательство». Сам организм-обманщик или клетка-обманщица называется cheater (читер). В литературе эти обозначения практически повсеместно приняты в качестве научных терминов. В романских языках cheating (читинг, читерство) переводится как «эксплуатация» (исп. explotación, итал. sfruttamento). В русском языке нет устоявшегося перевода, но чаще всего используется термин «обманщики».

Границы понятий «обманщик» и «проблема обманщиков» очертить достаточно сложно. Например, условные патогены чаще всего в норме сосуществуют с хозяином в рамках симбиоза, начиная избыточный рост при ослаблении иммунитета хозяина. Формально их можно было бы причислить к обманщикам, однако к ним такой термин не применяется. Наиболее характерным признаком обманщика является его изначальная эволюционная специализация в качестве мутуалиста или альтруиста и одностороннее нарушение таких взаимоотношений с организмом или сообществом.

Обманщиков можно встретить при рассмотрении даже хорошо изученных мутуалистических взаимоотношений, например между растениями и насекомыми. В своём классическом варианте эти отношения довольно простые: насекомое питается нектаром цветов, при этом их опыляя. Но некоторые насекомые способны получать нектар без контакта с репродуктивными органами цветка и, соответственно, без опыления. Такой вид взаимоотношений называется кражей нектара (nectar robbing) и обычно осуществляется путём прорыва или прокусывания отверстия в венчике цветка. Кража нектара характерна для ряда широко известных насекомых, включая отдельные виды пчёл и шмелей. Так, земляной шмель (Bombus terrestris) крадёт нектар у боба садового (Vicia faba) и хохлатки полой (Corydalis cava). Есть и чуть более экзотичный пример: обитающая в Южной Америке безжалая пчела (Trigona fulviventris) крадёт нектар у лантаны сводчатой (Lantana camara) (Cheaters. 2010^[1]; Maloof. 2000^[2]).

Другой пример классического мутуализма – отношения между рыбой-чистильщиком и рыбой-клиентом – тоже может осложняться проблемой обманщиков. В качестве обманщиков способны выступать чистильщики: в таком случае они питаются слизью и чешуёй клиента вместо удаления эктопаразитов. Клиенты при этом могут противодействовать подобной эксплуатации, отгоняя чистильщика-обманщика или уплывая от него (Bshary. 2002^[3]).

Сообщества эусоциальных (общественных) насекомых (например, пчёл или муравьёв) являются простейшей моделью для изучения проблемы обманщиков в социальных системах. В колониях пчёл и муравьёв нормальное размножение осуществляется королевой (маткой), что обеспечивает наилучшую передачу генов колонии в ряду поколений (Докинз. 2018^[4]). Сравнительно небольшой процент рабочих самок имеет функциональные яичники и обладает способностью откладывать яйца, хотя их основная функция состоит в обеспечении жизнедеятельности колонии. Здесь возникает конфликт между репродуктивными интересами колонии в целом и интересами конкретной особи в стремлении передать свои гены.

В этом аспекте любая рабочая самка, откладывающая яйца, может рассматриваться как обманщица, т. к. она пытается реализовать свои интересы в ущерб интересам сообщества (Wenseleers. 2004^[5]). Проблемой обманщиков также становится избыточно частое развитие самок в королев, а не в рабочих особей, распространённое у безжалых пчёл (рода Melipona) (Wenseleers. 2004^[6]). Широкому распространению таких обманщиков препятствует наличие в колонии стратегий надзора (policing) – противодействия обманщикам. Надзор может выражаться, например, в поедании яиц рабочих самок другими особями. Понятие надзора – ключевое для дальнейшего изучения проблемы обманщиков.

В рассмотренных случаях самки-обманщицы снижают шансы колонии на успешное размножение и выживание за счёт потребления ресурсов, необходимых для потомства королевы. Таким образом, проблема обманщиков у эусоциальных насекомых является частным случаем «трагедии общих ресурсов» («трагедии общин») применительно к биологии (Wenseleers. 2004^[7]).

Социальные стратегии выживания могут использоваться также одноклеточными организмами. Предельный случай скопления клеток, демонстрирующих социальное поведение, – это многоклеточный организм. В обоих случаях (в сообществах клеток и многоклеточных организмах) клетки частично ограничивают своё размножение ради выживания и оптимальной приспособленности сообщества или организма. Как и в колониях эусоциальных насекомых, здесь практически неизбежно возникает проблема обманщиков.

Простейшим примером являются бактерии, регулирующие свою биосинтетическую активность посредством чувства кворума. Например, синегнойные палочки (Pseudomonas aeruginosa) сообща вырабатывают сидерофор пиовердин и протеолитические ферменты (Figueiredo. 2021^[8]; Wechsler. 2019^[9]), что важно для успешной инвазии в ткани хозяина. Секретируемый вторичный метаболит можно рассматривать как «общественное благо» в мире бактерий. При этом встречаются штаммы синегнойной палочки, которые не участвуют сами в таких коллективных действиях, используя для инвазии и роста сидерофоры и ферменты, выделенные другим штаммом. Даже в такой простой системе существуют стратегии надзора, чаще всего реализуемые через выработку токсина, к которому у штамма-обманщика нет иммунитета (Wechsler. 2019^[10]).

Похожая картина встречается у многоклеточных организмов. Самым простым примером является слизевик диктиостелий дисковидный (Dictyostelium discoideum). В сытом состоянии это обычная почвенная амёба, но при голодании отдельные клетки собираются в многоклеточный агрегат и образуют плодовое тело. Часть клеток при этом оказывается в составе ножки плодового тела, не имея шанса превратиться в споры, но давая остальным клеткам возможность претерпеть споруляцию. По выполняемой роли их можно сравнить с рабочими самками в колониях эусоциальных насекомых. Так как агрегаты у диктиостелия могут формироваться из клеток с разными генотипами, зачастую в их составе оказываются мутантные штаммы, дифференцирующиеся преимущественно в спорулирующие клетки, но не в клетки ножки плодового тела (Strassmann. 2000^[11]; Ostrowski. 2019^[12]). Это классический пример проблемы обманщиков в простейшем многоклеточном организме.

Вне зависимости от типа многоклеточности организмов (клональный, как у человека, или агрегативный, как у слизевика) в них всегда появляются клетки-обманщики. Однако в случае клонально-многоклеточных организмов используется другая терминология: клетки-обманщики называются опухолевыми клетками, а сама проблема обманщиков – онкогенезом, или опухолевым ростом. Таким образом, рак – это проблема обманщиков в сложно устроенном организме.

Клонально-многоклеточные организмы (к которым относятся и растения, и животные) отличаются от агрегативно-многоклеточных тем, что все их клетки исходно являются клонами и имеют один генотип. Это снижает их уязвимость к проблеме обманщиков – в клонально-многоклеточный организм не может встроиться штамм-обманщик, как в случае агрегативно-многоклеточного организма. Единственная возможность появления клона-обманщика – соматическая мутация. Однако вероятность возникновения такой мутации хотя бы в одной клетке в течение жизни достаточно высока даже с математической точки зрения, если учесть темп мутагенеза, число клеток и время жизни организма.

Развитие опухоли начинается с соматической мутации, дающей клетке селективное преимущество перед другими клетками того же организма (Основы молекулярной биологии клетки. 2015^[13]). Как правило, эти мутации выводят из строя какой-либо из многочисленных регуляторных механизмов, ограничивающих деление клетки. Такая клетка становится обманщиком – приобретает способность делиться даже тогда, когда это приносит вред организму. Этот процесс в патофизиологии называется инициацией опухоли.

В сложно устроенном многоклеточном организме одной мутации недостаточно для развития полноценной злокачественной опухоли, способной распространяться почти неограниченно. Но клон клеток-обманщиков, возникший в результате одной мутации, становится способен эволюционировать в направлении более успешного размножения за счёт естественного отбора. Это приводит к значительному ускорению накопления мутаций в опухолевом клоне – прогрессированию опухоли.

Так как любая клетка способна в результате случайной мутации стать обманщиком и начать эволюционировать отдельно от организма, то и опухолевые процессы как явление практически универсальны. Любой многоклеточный организм уязвим для клеток-обманщиков или развития опухолей (Актипис. 2022^[14]). Различаются только конкретные задействованные гены и механизмы. Так, клетки человека часто становятся обманщиками в результате передачи онкогена вирусом, а клетки растений – за счёт внедрения плазмиды агробактерией. Но общий принцип процесса практически одинаков.

Как и в других случаях, развитие опухолей тоже сдерживается механизмами надзора. У человека и животных он реализуется иммунной системой (иммунологический надзор), который, к сожалению, далеко не всегда способен эффективно противостоять онкогенезу (Ройт. 2000^[15]).