生物间合作行为的演化机制一直是困扰学界的难题。达尔文在《物种起源》中提出，自然选择总是青睐于自私的个体，因为自私可以帮助个体获得最大的繁殖成功率。然而在合作行为中，生物个体通过无私的贡献，增强了其他个体的生存适应性。北京大学工学院能源与资源工程系吴晓磊、聂勇课题组经过多年研究，提出了一种新的合作演化机制，揭示了不同基因型之间的合作可能是受个体水平的“自私”权衡驱动，自发演化形成的。

课题组以微生物生态学中经典的“黑色皇后假说”为基本理论框架。在微生物群落当中，微生物个体分泌的有益代谢物会不可避免的“泄漏”到环境当中，从而成为可供整个群体分享的“公共物质”。在“公共利益”的驱使下，微生物个体可能“自私地”丢失一部分公共功能（退行性演化），从而降低个体的代谢负担。但另一方面，退行性演化也会增加个体的环境适应风险，因此存在微妙的利益权衡。课题组将上述过程进行了数学量化，构建了一个Individual-based model来模拟微生物个体在群落中的退行性演化过程。模拟初始时，一个祖先种群被赋予了生产三种必需公共物质的能力，但这些公共功能可以在之后的演化中随机丢失。模拟结果显示，功能丢失的基因型在一定条件下可以“自私”地从祖先中演化定殖。在功能代价和功能冗余的影响下，这些基因型会自发形成三种可能的合作分工模式：完全功能分工、单向依赖和非对称功能互补（如下图）。

三种可能的合作分工模式

此外，随机演化事件，如基因型出现的优先顺序和出现时的相对空间定位，对不同相互依赖模式的形成也有重要影响。在相互依赖模式形成后，群落对环境扰动表现出更好的抵抗力，这暗示形成相互依赖模式是一种自然选择青睐的群体演化策略。这些工作证实了，群落中合作行为的演化实际上是由个体的自私性状驱动的，且演化的最终结果使得所有群落个体都能从中受益。这个看似矛盾的观点仍然遵循达尔文的演化规则，从而为理解合作演化的形成机制的提供了新的视角。

相关工作发表在Nature出版社的微生物生态学顶级期刊The ISME Journal上 (DOI: 10.1038/s41396-020-00858-x)。北京大学工学院能源与资源工程系博士生王淼啸是第一作者，北京大学工学院能源与资源工程系聂勇助理研究员和吴晓磊教授是共同通讯作者。上述研究得到了国家重点研发计划与国家自然科学基金的资助。