休眠悖论：吃饭时为什么要睡觉？

时间：2022-03-28 17:25:05 来源：

运载一个休息的鸡蛋的水蚤（zooplankton）。

为什么捕食者有时会产下休眠的卵-坚硬但孵化时间长且生产成本高的卵？

新加坡科技与设计大学（SUTD）的研究人员在最近发表于《先进科学》（Advanced Science）上的一篇论文中回答了这个问题，该论文是影响因子为15.804的前沿研究期刊（2019年《期刊引证报告》）。

传统的回答是，这些强壮的卵使种群能够在冬季或干旱等恶劣的环境条件下生存。但是，这并不能解释为什么即使在非季节性栖息地（例如热带湖泊）中也会产下休眠卵。

由SUTD助理教授Kang Hao Cheong领导的研究团队与美国国立卫生研究院高级研究员Eugene V. Koonin博士合作，发现了另一种解释：休眠是对过度捕食的自然反应。在非季节性的栖息地中，诸如湖泊中的藻类之类的猎物会大量繁殖。这导致它们的捕食者（例如浮游动物）大量消费，并且种群也在增长。最终，这会导致过度消费。随着藻类种群的崩溃，大量浮游动物几乎没有食物了，然后浮游生物就饿死了。

正是在这种食物短缺的时期，休眠才有意义。如果浮游动物预先产下了坚硬，缓慢孵化的休眠卵，则这些卵很可能在猎物种群恢复后孵化，从而使它们得以生存和繁殖。另一方面，如果浮游动物仅定期产卵，则这些卵很可能在饥荒中期孵化，对浮游动物种群的恢复无济于事。最终，只有那些产卵休眠的浮游动物才能控制种群。

在发现这种解释时，研究人员受到了一种被称为帕隆多悖论的现象的启发。悖论指出，有可能在一对输球策略之间进行交替，例如在一场赌博中输掉赌注，而最终仍获胜。当食物充足时，研究人员意识到休眠同样是自相矛盾的。

“当您的竞争对手通过定期产蛋节省能量时，为什么要花更多的精力产下休眠的卵？当竞争对手生产的卵孵化速度更快并迅速成长为成虫时，为什么还要投资花费较长时间孵化的卵呢？这就是我们需要解释的，”该研究的主要作者谭志X说。“就像在Parrondo的悖论中一样，我们有两个失败的策略：产卵休眠的策略，以及保持卵休眠而不是孵化的策略。”

正如研究人员所发现的那样，在这两种失败的策略之间进行切换可以确保生存，避免因过度捕食而造成的食物短缺。

这项研究的意义可能不止于解释为什么掠食者产下休眠卵。这项研究的主要研究者SUTD的助理教授Kang Hao Cheong观察到：“ Parrondo悖论的最初应用之一实际上是在解释生物学过程：我们肌肉中的分子马达如何产生持续的定向运动。”“我们认为，帕隆多悖论与生物学的关联性可能还会更广。”

例如，研究人员认为，帕隆多的悖论还可以解释为什么感染细菌的病毒经常在休眠的溶原相（将病毒的DNA整合到细菌基因组中）和活跃且具有传染性的裂解相（杀死细菌）之间交替变化。

“更进一步，我们甚至可以解释多细胞生命的演变，” Cheong助理教授说。“在欺骗和利用其他细胞通常可以产生更好的结果时，单细胞生物如何开始充分协作以形成多细胞生物？由于在这种情况下合作是一种失败的策略，因此我们怀疑帕隆多的悖论可能有一天会带来一些答案。”

参考：谭志X，金明Koh，尤金·库宁和康浩昌在2019年12月12日发表的文章《捕食者的休眠是帕隆多悖论的一种稳定的适应策略》，Advanced Science.DOI：
10.1002 / advs.201901559

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