Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszék (Eötvös Loránd Tudományegyetem)
résztvevők
Boza Gergely Kun Ádám Vásárhelyi Zsóka Anna
projekt kezdete
2012-01-01
projekt vége
2016-12-31
aktuális összeg (MFt)
23.060
FTE (kutatóév egyenérték)
8.10
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Kutatásaink az intra- és inter-specifikus kooperáció evolúciójának néhány központi kérdésére irányulnak, melyek vizsgálatához a kísérletes biológia megfigyeléseihez szorosan illeszkedő elméleti modelleket hozunk létre. Az intraspecifikus kooperáció témakörében elsősorban az N-személyes nemlineáris szociális dilemmák modelljeit kívánjuk továbbfejleszteni. Egyrészt a valós helyzetet modellezve a kifizetési függvény evolúcióját vizsgáljuk. Továbbá a kooperátorok elterjedésének a sikerét kívánjuk elemezni térben explicit modellekben, mely folyamat komoly nehézségekbe ütközik, ha jól-kevert populációt tételezünk fel. Az interspecifikus kooperáció témakörében a partner választás és partner szűrés mechanizmusaira szeretnénk új, elméletileg alátámasztott evolúciós magyarázatot javasolni. Vizsgáljuk a gazda partner szűrő viselkedésének hatását a mikrobiom összetételére. Ezenkívül kíváncsiak vagyunk, hogy több szinten jelentkező szelekció eredményeként a partner szűrő mechanizmusok milyen mikrobiom közösségeket létrejöttét segítik elő. Az evolúciós játékelmélet eszköztárát használva analitikus és egyedalapú modelleket hozunk létre. A modellek átfogó elemzését követően azok viselkedése alapján kívánunk a feltett kérdésekre választ adni.
A kutatás alapkérdései
A kutatás az együttműködő viselkedés elterjedését és hosszútávú együttélést vizsgálja. Az N-személyes nemlineáris szociális dilemmák esetében analitikus és numerikus vizsgálatokkal kívánunk válaszolni a következő kérdésekre: Milyen típusú kifizetési függvény evolválódhat ha a függvény jellemzőit megadó paramétereket az evolúció módosíthatja? Miként befolyásolja a kifizetési függvény evolúciója a populáció átlagos nyereségét, és kaphatunk-e az optimumhoz közeli értéket? A kooperatív stratégia terjedése könnyebben megy-e végbe térbeli, mint jól-kevert populációk esetén? Hogy befolyásolja a térbeliség a kooperátorok egyensúlyi gyakoriságát? Lehet-e hatása a térbeliségnek a kifizetési függvény evolúciójának végkimenetelére? A partner választás mechanizmusok hatását fajok között kialakuló kapcsolatok kialakulására elsősorban egyedalapú modellek segítségével vizsgáljuk. Fő kérdéseink a következőek: Magyarázható-e a gazda mikrobiom kölcsönhatás egy többszintű, sokfajos evolúciós folyamattal? Lehetséges-e többszintű szociális dilemmák feloldása különféle partner szűrési mechanizmusok segítségével? Milyen körülmények kedvezhetnek lazább vagy épp szigorúbb partner szűrési viselkedéseknek? Lehet-e különböző hatása a térben korrelált vagy jól-kevert populációknak a fajok közt kialakuló együttműködésre?
A kutatás jelentősége
Legfőbb célunk a kísérletes biológia megfigyelésein és eredményein alapuló modellek kidolgozása és vizsgálata. Elsősorban sokszemélyes konfliktushelyzeteket kívánunk elemezni, mely a tradicionálisan vizsgált kétszemélyes dilemmáknál sokkal jobb megfelelője számos valós helyzetnek. Továbbá szakítani kívánunk a lineáris kifizetési függvények használatával, mivel számos tanulmány megmutatta a nemlineáris függvények realitását, például bakteriális biofilmek, csoportos vadászat vagy épp emberi kapcsolatok terén. Ezen szituációk egyelőre kevéssé kutatottak, kevésbe értjük azok evolúciós hátterét, ezért fontosnak tartjuk további vizsgálatukat. A fajok közt kialakuló kölcsönhatások fontosságát jelzi, hogy a Földön szinte minden faj élete függ szimbiotikus kapcsolataitól. Ezeknek a szimbiotikus kölcsönhatásoknak, a partnerek egymáshoz viszonyuló kapcsolatának a megértése közelebb visz minket a bioszféra komplexitásának és sérülékenységének a megismeréséhez. Mindezt szem előtt tartva, kutatásunk mind az elméleti, mind a kísérletes biológia szakembereinek érdeklődésére számot tarthat. Nemzetközi kapcsolataink révén lehetőségünk adódik eredményeink, hipotéziseink tesztelésére, a kísérletes eredményekkel való közvetlen összehasonlításra. Reményeink szerint a kísérletek által megerősített eredmények számos új módszer megfogalmazását is lehetővé teszik az alkalmazott tudomány számára, a mikrobiális kezelésektől a mezőgazdasági alkalmazásokig. Az általunk felvetett témák mindegyikét nagy érdeklődés övezi a szakmán belül, ezért munkánk számos további nemzetközi együttműködés létrejöttére is számítunk, melyek kutatásaink számára kiemelkedő előnyökkel szolgálhat a jövőben.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Az élőlények közötti kölcsönösen előnyös kapcsolatok evolúciója régóta foglalkoztatja a szakembereket. E viselkedés elterjedése, mivel komoly energiabefektetést igényel, látszólag problematikus, mégis számtalan fajtája megtalálható a Földön. Mi több, a fajok legnagyobb része, beleértve az embert is, szoros kölcsönhatásban él az életéhez nemegyszer nélkülözhetetlen élőlényekkel. Épp ezért rendkívül fontos megértenünk ezeket a kapcsolatok eredetét és stabilitását. A fajon belüli együttműködés a baktériumoktól az emberi közösségekig mindenhol jellemző. Számos tanulmány megmutatta, hogy általában nem teljesül az a hagyományosan elfogadott elképzelés, miszerint a csoport méretével arányosan nő az egy résztvevőre számított nyereség. Sokszor megállapítható egy küszöbérték, melyet elérve a csoport sikeresen együttműködik, míg a küszöb alatt a siker esélye igen kicsi. Kutatásaink során ezen küszöbértékek változását, annak hatását kívánjuk vizsgálni, mind kevert, mind térben megkötött populációk modellezésével. Számos érdekes kérdés merül fel akkor is, ha az együttműködők más más fajhoz tartoznak. Vizsgálatainkkal szeretnénk megérteni, hogy milyen evolúciós folyamatok vezettek oda, hogy a gazdaszervezetek képesek hatalmas mennyiségű potenciális partnerből kiválasztani a számukra megfelelő egysejtűek közösségét, melyekkel együttműködő kapcsolatot tudnak kialakítani. Kutatásaink során a természetben megfigyelt viselkedéseket, mechanizmusokat építjük be elméleti modellekbe és vizsgáljuk azokat fajon belüli, és fajok közötti kölcsönhatások esetén.
angol összefoglaló
Summary of proposed research including key goals for scientifically qualified assessors
Our proposed project covers some central problems of intra- and interspecific cooperation, which we plan to analyze with novel models founded on observations of experimental biology. We plan to perform a comprehensive analysis of intraspecific N-person social dilemmas with non-linear payoff functions. We extend our previous analysis of this system by relaxing some of the simplifying assumptions. We plan to investigate the effect of evolving payoff functions on the stability of cooperation, instead of the traditionally assumed uniform and fixed return function. We will also examine the effect of various spatial population structures on the invasion success of cooperators, which happens to be a hard problem in a well-mixed model. The second part of our project considers problems of interspecific interactions. We will develop models which incorporate complex social dilemmas to test proposed mechanisms of partner choice and fidelity. In particular, we analyze the consequence of partner screening on the stability and efficiency of host microbiome composition, and the effect of different partner control mechanisms on the outcome of multi-level social dilemmas. We intend to investigate these questions by developing analytical and numerical models with the use of game theoretical concepts.
Research questions
Our main research questions concerns the evolution and stability of cooperative behaviour in different social dilemmas. We plan to analyze the threshold public goods game with analytical and numerical models to answer the following questions: What kind of payoff function evolves, and are cooperators in coexistence with defectors if payoff function parameters are under selection? How the evolution of payoff functions modifies the average fitness of the population, and can it be close to the optimum? Is the invasion of cooperative mutants supported more in spatial than in well-mixed models? How does spatial structure change the equilibrium frequency of cooperators? Is there a significant role of the population structure on the evolution of payoff functions? For analyzing the role of partner control mechanisms in mutualism, we build individual-based models. In particular, we are interested in the following: Can multilevel selection force hosts to generate screening like habitats for bacteria? Can the host's partner control mechanisms counteract the "tragedy of the commons" when the number of symbiont partners increases within the host? What circumstances can make stricter or looser partner choice adaptive? What is the impact of well-mixed or spatial structures on the dynamics of interspecific cooperation?
Significance of the research
Our main goal is to develop and analyze models based on observations of experimental biology. In particular, instead of assuming two-person interactions, we extend our analysis to multi-person social dilemmas, which assumption is more supported by real life biology. We question the traditionally used, yet rarely supported assumption of linear payoff functions in N-person dilemmas, as non-linear functions has been reported from several systems, such as microbial biofilms, group hunting animals or even humans, yet the underlying behaviour is poorly understood. We intend to continue our analysis on this problem, and bring up new, biologically valid explanations about the stability and functioning of these social systems. Interspecific interactions are of major importance as well, since almost all life on Earth depends on their symbiotic partners of some extent. Understanding how interactions between symbiotic partners function, how partners are chosen and controlled can bring us closer to understand the complexity, and perhaps the vulnerability of the biosphere. With this end in view, we intend to derive conclusions that are of major interest to both theoretical and experimental scientists. Our scientific collaborations provide opportunity to compare our theoretical results directly with observations in field and lab experiments. We hope our results can be tested and verified by experiments, and eventually can be translated to various applications, take as an example agricultural management or microbiological treatments. Importantly, as all of our ideas correspond to hot topics in evolutionary biology, we hope our work will catalyze scientific discourse, and create the ground for more international and interdisciplinary collaborations.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Megmutattuk, hogy a közjó költségétől függően más és más környezeti heterogenitás kedvez a kooperáció fennmaradásának, továbbá, hogy stratégia heterogenitás tarthatja fenn a stabil befektetéseket mind mutualista, mind kooperációs kapcsolatokban.
Megmutattuk továbbá, hogy kooperatív helyzetek munkamegosztásra vezethetnek molekuláris replikátor-közösségekben és humán kooperációs helyzetben egyaránt.
Kimutattuk, hogy a gazda-mikrobiom együttélésben a gazda nem specifikus tápanyag-szolgáltatással hatékonyan tudja segíteni az antibiotikum-termelő baktériumok védelmét a parazita baktériumokkal szemben. Az egész folyamat hatékonyságát jelentősen befolyásolja az antibiotikum diffúziójának sebessége. Továbbá megmutattuk, hogy az antibiotikum-termelő és -degradáló közösségek evolúciós stabilitása sokkal gyengébb, mint azt korábban vélték. Rámutattunk, hogy evolúciósan stabil mikrobiális mutualizmus a kölcsönhatások nemlineáris voltának a figyelembe vételével könnyen kialakul. Az említett témakörökön belül több összefoglaló és ismeretterjesztő cikket is írtunk.
kutatási eredmények (angolul)
We have shown that for maintaining cooperation, depending on the cost of public goods, different environmental heterogeneity is optimal. Furthermore, we demonstrated that strategy heterogeneity can maintain high investment levels in mutualistic and cooperative interactions. We have shown that cooperative situations can lead to division of labour both in communities of molecular replicators and human societies. We have pointed out that in host-microbiome symbioses, the host can effectively promote the antibiotic producer bacterium against the parasite with non-specific food supply. The effectiveness of the process is strongly affected by the diffusion rate of the antibiotic. We demonstrated that the communities of antibiotic producer and degrading microbes are evolutionary much less stable than believed. We have shown that an evolutionary stable microbial mutualism can emerge easily, if one considers the non-linear nature of the interaction. We published several review and science communication articles, partly based on our research within these fields.
Scheuring, I: A mikrobák védelmében: kulcsszereplők és segítőtársak., Természet Világa 144, 2:60-63, 2013
Boza, G Scheuring, I.: Diverzitás és komplexitás a mutualista kapcsolatokban., Természet Világa Káosz, környezet, komplexitás különszám. 91-97, 2013
Boza, G: The role of polymorphism in the evolution and stability of cooperation, ELTE, Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológia Tanszék, 2013
Vásárhelyi Zs.: A munkamegosztás ezer arca és egy modellje, Természet Világa 148, 1: 11-14, 2017
Scheuring, I, Vásárhelyi Zs.: Ásóbot, házityúk, benzinkút: az emberi evolúció ökológiája, Természet Világa, Ökológia Különszám (megjelenés előtt), 2017
Scheuring, I. Yu D.W.: How to assemble a beneficial microbiome in three easy steps, Ecology Letters 15: 1300-1307, 2012
Archetti, M. Scheuring I.: Review: Cooperation in One-Shot Social Dilemmas without Assortment., J. Theor. Biol. 299: 9-20, 2012
Scheuring I.: How Robust are the Models of the Origin of Life? Commentary on "Evolutionary Dynamics of RNA-like Replicator Systems: A Bioinformatic Approach to the Origin of Life"., Phys. Life Rev., 2012
Boza, G. Kun, Á. Scheuring, I and Dieckmann, U.: Stabilizing mutualism through investment cycles, phase diffusion, and spatial bubbles, PLOS Comp. Biol., 2012
