上海交通大学：《基因与人 Genes and Human》课程教学资源（PPT课件）08 自私的基因与合作的起源

上海交通大学通识核心课 教授李大伟电邮daweili(@sjtu.edu.cn 电话：34204744 助教陈昊 电话：34205436 基因与人 生命的基因中心法则 8.Genes And the Origin of Cooperation 基因与合作的起源

2022-3-11 1 1 上海交通大学通识核心课 教授 李大伟 电邮 daweili@sjtu.edu.cn 电话：34204744 助教 陈 昊 电话：34205436

Cooperation:Another Pillar of Human Evolution? SBACE SCIENCE MEDICINE ANTIFICIAL INTELL GENCE Mountain-Climbing Vaccine Clues fram Seeing the Future with MARS ROVER HIV SURVIVORS MACHINE LEARNING SCIENTIFIC The Evolution Cooperation Competition is not the only force that shaped life on earth SPECIAL REPORT Physles Revlews by Nobel Laureates

Cooperation or Defect:Prisoner's Dilemma 基因间的博弈：合作还是对抗？ The Similarity and Differences Between Game Theory and Evolution BASICS 问：什么才是“好”？ Natural Defection Agame theory paradox calledthe Prisoner's Dilemma illustrates why the existence of cooperation in nature is unexpected.Two 生命进化中的博弈 people face jail sentences for conspiring to commit a crime Their sentences depend onwhether they dlect tocooperate and remain silent or defect and oonfess to the crime [see payaff table below].Because neither knows what the other will do,the rational choice-the one that always offers the better payoff-is to defect. 总原则： INDIVIDUAL2 有利自身生存 COOPERATE DEFECT (remain silent) 的t的 TYnOIAIONI 2 years in jai 4years in jai 2 years in jail 1 year in jail 特点： 1.稳定性与多样性共存 2.可遗传性 ear in jail 4 years in jail 3 years in jai 3.可扩增性

基因间的博弈：合作还是对抗？ Cooperation or Defect: Prisoner’s Dilemma The Similarity and Differences Between Game Theory and Evolution 问：什么才是“好”？ 生命进化中的博弈 总原则： 有利自身生存 特点·： 1. 稳定性与多样性共存 2. 可遗传性 3. 可扩增性

基因与合作的起源 红利来源于特化与高效 合作范围的进化 1、基因→基因组： 不同基因间的合作使细胞在生存中胜出 2、单细胞→多细胞生物： 相同基因不同细胞间的合作使个体在繁衍中胜出 3、小范围合作→大范围合作： 相似基因不同个体的合作使物种在竞争中胜出 4、全球合作： 2022-3-11 同一物种更大范围的合作使社会在发展中胜出 4

2022-3-11 1 4 上海交通大学通识核心课 教授 李大伟 电邮 daweili@sjtu.edu.cn 电话：34204744 助教 朱 奇 电邮 zq0525@126.co 电话：34205436 1、基因基因组： 不同基因间的合作使细胞在生存中胜出 2、单细胞多细胞生物： 相同基因不同细胞间的合作使个体在繁衍中胜出 3、小范围合作大范围合作： 相似基因不同个体的合作使物种在竞争中胜出 4、全球合作： 同一物种更大范围的合作使社会在发展中胜出

Cooperation is a Basic Component of Evolution Nature 2012 a b Autocatalysis Specificity Selfishness Dive rsification Hypercycle Cooperativity Figure I|Theemergenceofhypercycles.a.A primor dial replicator molecule (R)enhances its own assembly from substr atemolecules (S)in a simple autocatalytic cycle.b,Imperfect replication generates a set ofrelatedreplicators each promoting the synthesis of all the other s.c,d.The introduction of biases in replicator specificity gives structureto the network andcanlead to selfish subsystems(c)or to a cooperative hypercycle (d)akin to the system describedby Vaidya andcolleagues1.Such hypercycles remain globally autocatalytic,but are moreresistant to the accumulation of mutations,enabling replicators to specialize andto acquirenewfunctions.Thick and da shedred arrows indic ateincreased and decreased efficacy respectively atenhancingreplic ator assembly

2022-3-11 1 5 上海交通大学通识核心课 教授 李大伟 电邮 daweili@sjtu.edu.cn 电话：34204744 助教 朱 奇 电邮 zq0525@126.co 电话：34205436 Cooperation is a Basic Component of Evolution Nature 2012

相同基因不同细胞间的合作使个体在繁衍中胜出 单细胞绿藻-衣藻 向光运动的绿藻：感光的眼点+反应的鞭毛 能量：叶绿体 浮在水中的绿藻 Cup-shaped 鞭毛 chloroplast 反应 2 Flagella 收缩泡 Contractile vacuole Eyespot感光：眼点 +3500万年 多细胞-团藻 2亿年前 60 多细胞生物的 高效运行 ©Bernd Kaufmann

单细胞绿藻-衣藻 多细胞-团藻 浮在水中的绿藻 +3500万年 2亿年前 向光运动的绿藻：感光的眼点+反应的鞭毛 感光：眼点 能量：叶绿体 鞭毛 收缩泡 反应 多细胞生物的 高效运行

神经元是多细胞动物高效感知的必然选择 提高感知到运动反应的效率动物神经产生的必要性 (a) (b) 衣藻 large 团藻 steering cells with eyespot eyespot small non-steering cells with small or no eyespot 24m chloroplast 100m (c) (d) steering cilia swimming cilia pigment cell photoreceptor cell cilia 100um 加 50m pigmented ring 海绵幼虫 环节动物幼虫 Figure 1.Comparison of the efficiency of sensory-to-motor transformation in (a)Chlanydomonas,(b)lolox,(c)a sponge larva, and(d)an annelid larva.The parts of the organism involved in sensing and responding to the light stimulus are coloured red

衣藻 团藻 海绵幼虫 环节动物幼虫 提高感知到运动反应的效率-动物神经产生的必要性

细胞特化形成高效信息感知 神经元的产生：神经网络的早期进化一感知与反应 神经元进化在远距离信号传递中的作用：对环境信号的高效感受与反应 感受细胞 反应细胞 感受反应细胞 反应细胞 增强反应细胞 感受细胞 无反应细胞 8888的 Origin and early evolution of neural circuits for the control of ciliary locomotion Gaspar Jekely Proc.R.Soc.B 2011 278,914-922 first published online 1 December 2010

《Origin and early evolution of neural circuits for the control of ciliary locomotion》 Gáspár Jékely Proc. R. Soc. B 2011 278, 914-922 first published online 1 December 2010 细胞特化形成高效信息感知 神经元的产生：神经网络的早期进化 –感知与反应 感受细胞 反应细胞 反应细胞 感受/反应细胞 感受细胞 增强反应细胞 无反应细胞 神经元进化在远距离信号传递中的作用：对环境信号的高效感受与反应

神经元：合作与特化红利 ()对单一信号就近简单反应 对多信号的长距离综合反应 N。冷0线 低等动物 进化 无神经元 神经元 神经树突使生命对环境更全面地感知和更有效地反应 without axons with axons Figure 2.(a)Evolution of the first neurons to control ciliary locomotion from a sensory cell regulating its neighbouring cells by paracrine signals or(6)producing a cell-autonomous motor output with its cilia.(c)The evolution of long-range axonal contact of sensory cells to ciliated motor cells allowed the reduction of cells specialized in one input.This price reduction in sensing and behaviour allowed an increase in the number of senses

神经树突使生命对环境更全面地感知和更有效地反应 神经元：合作与特化红利 神经元 对单一信号就近简单反应 对多信号的长距离综合反应 无神经元 低等动物 进化

不同基因间的合作使细胞在生存中胜出 1、部分基因转移重组，2、需要特定机制：细胞、噬菌体、病毒等 叶绿体依靠海兔细胞中转入的海藻基因生存 Elysia chlorotica

Elysia chlorotica 叶绿体依靠海兔细胞中转入的海藻基因生存 1、部分基因转移重组 ，2、需要特定机制：细胞、噬菌体、病毒等