I BARI VINCONO spesso nelle simulazioni della

teoria dei giochi, un settore della matematica

che analizza le interazioni competitive fra

individui. Baro, di Georges de La Tour

(1630 ca.), Museo del Louvre, Parigi.

La teoria dei giochi può spiegare

in che modo i virus si evolvono

quando entrano in competizione

fra loro, usando strategie «da bari»

di Paul E. Turner

www.lescienze.it

-i% i dice che la frase «ogni minuto nasce un cre-

dulone» sia stata coniata da P.T. Barnum, l'im-

presario del celebre circo americano. In real-

tà, Barnum negò di averla mai pronunciata,

I ma chiunque sia stato a esprimersi in modo

così cinico sull'ingenuità umana non poteva

certo prevedere che i termini «imbroglione» e «gonzo»

sarebbero stati usati anche per descrivere dei microrgani-

smi. lo e i miei colleghi, però, stiamo studiando le intera-

zioni fra virus, e a quanto pare anche per questi organismi

le strategie di sfruttamento dei loro simili sono un modo

per «guadagnarsi da vivere».

La tentazione di imbrogliare sembra un elemento onnipre-

sente della vita. Nella lotta per la sopravvivenza e la ripro-

duzione che guida l'evoluzione, gli individui egoisti pos-

sono essere favoriti rispetto a quelli cooperativi perché

usano le proprie energie in modo più efficiente. Per defini-

zione, gli imbroglioni spendono poca energia in un compi-

to: la loro specialità è sfruttare i «gonzi», dei quali coop-

tano gli sforzi a proprio vantaggio. Vi sono specie animali

in cui alcuni maschi usano moltissime energie conservan-

do e difendendo il territorio per attrarre le femmine. Ma al-

l'interno della stessa popolazione possono esserci maschi

subalterni «opportunisti», a cui non interessa il territorio

ma che girovagano intorno ai suoi confini e si specializzano

in accoppiamenti furtivi. Questa strategia funziona benone

per garantire la presenza costante di un gruppo di profitta-

tori, ma è poco probabile che la popolazione si evolva fino a

contenere solo imbroglioni perché le femmine in calore so-

no molto più attratte dai maschi territoriali.

In generale, gli imbroglioni hanno molto successo quan-

do sono pochi, perché in questo modo incontrano vittime

più di frequente. I benefici dell'inganno diminuiscono via

via che aumenta il numero di individui di una popolazione

che decidono di barare. Nel gergo della biologia evolutiva,

il successo degli imbroglioni dovrebbe essere controllato

dalla selezione dipendente dalla frequenza. In altre parole,

bisogna tener conto anche dei costi associati a una stra-

tegia basata sull'imbroglio, per cui gli egoisti godono di un

vantaggio quando sono pochi, ma sono sfavoriti quando

sono numerosi.

LE SCIENZE 61

Virus truttatone teoria dei giochi

60 LE SCIENZE

449 /gennaio 2006

I sintesi/Barare per riprodursiIL'inganno è un comportamento fin troppo diffuso negli esseri umani, ma è stato

osservato anche in molte altre specie animali e, sorprendentemente, anche

nei virus.

I virus imbroglioni sono stati scoperti dall'autore nel corso di esperimenti in vitro,

che hanno dimostrato come l'inganno influenza il loro successo riproduttivo e di

conseguenza la fitness evolutiva di questi microrganismi.

Proteinedi superficie

fiReplicazione

EP

Virus A

Virus B

Pool dirisorsecomuni ek

Virus Bcon proteine di superficie

provenienti dal virus A

La teoria dei giochi è un strumento utileper predire matematicamente quale strate-gia risulterà vincente in un contesto simi-le. I sociologi la usano per prevedere qualicomportamenti si diffonderanno all'inter-no di una popolazione, specialmente nelcaso di conflitti tra figure come «falchi»contro «colombe», ma anche «cooperato-ri» contro «imbroglioni». Uno dei risultatipiù interessanti di questo approccio è laprova matematica che, sebbene l'ingannosia considerato un comportamento irra-zionale, poiché è punibile, può prendere ilcontrollo di un'intera popolazione.

Il mio gruppo ha applicato la teoriadei giochi a una serie di esperimenti dievoluzione virale in vitro. È un campo diricerca relativamente nuovo, che però sista dimostrando molto efficace per mette-re alla prova alcune ipotesi fondamentalidella biologia evolutiva. I suoi vantaggisono numerosi: i virus si coltivano con

estrema facilità, si replicano in tempi bre-vi e danno origine a popolazioni moltonumerose. Benché gli esperimenti sianoeffettuati in vitro, l'evoluzione procedeper selezione naturale, perché è l'habitatdel laboratorio a determinare le variantigenetiche favorite nella trasmissione deigeni alla generazione successiva.

Si tratta di un meccanismo ben diversodalla selezione artificiale, dove è l'alleva-tore a decidere quali varianti potrannoriprodursi. Ma l'aspetto più importan-te è che i microrganismi possono essereconservati indefinitamente in un conge-latore, creando così una «documentazio-ne fossile» che consente di confrontaredirettamente i caratteri genetici di unapopolazione ancestrale e quelli dei suoidiscendenti.

Contese virali

I virus sono parassiti che dipendonodall'apparato genetico di un organismoospite per riprodurre copie di se stessi. Inogni dato momento un individuo conta-giato può ospitare diverse specie di virus,o addirittura varianti genetiche (genotipi)della stessa specie. L'ospite diventa così unecosistema in cui si verificano le poten-ziali interazioni fra virus. Talvolta questeinterazioni sono indirette: per esempioquando il sistema immunitario dell'ospitesi attiva contro una specie virale e con-temporaneamente si sta difendendo daaltri virus. La febbre dell'ospite può essereuna risposta generalizzata a un'infezionespecifica, ma la temperatura elevata puòrallentare la crescita di tutti i virus presentinel corpo.

Quando i virus interagiscono diretta-mente, invece, gli effetti sui loro simili

sono più difficili da individuare perchéavvengono all'interno di una singola cel-lula. Quando un virus entra in una cellula,dirotta il metabolismo dell'ospite istruen-dolo a costruire le componenti necessarieall'assemblaggio di altre particelle virali.Nella cellula infettata da più virus, i pro-dotti metabolici cellulari diventano libera-mente accessibili a ciascuno dei patogeniche partecipano alla coinfezione, in unprocesso detto «complementazione», incui un virus fornisce un prodotto utile chenon può essere creato da un altro virus.

Se i virus si forniscono risorse utili l'unl'altro, l'interazione è vantaggiosa per tutti.Prendiamo il caso della coinfezione di unacellula da parte di due virus mutanti diver-si tra loro perché hanno alcuni geni inatti-vari in posizioni differenti del genoma.

pool di risorse comuni consente ai virus diusare i prodotti proteici elaborati dai lorosimili e la coinfezione aiuta i mutanti, per-mettendo loro di riprodursi in condizioniin cui non potrebbero farlo. Interazionireciprocamente vantaggiose di questotipo sono però rare, oppure estremamentedifficili da individuare. Accade molto piùspesso che i virus mostrino un conflitto diinteressi, e che un virus si appropri egoisti-camente delle risorse disponibili ai dannidi altre specie o genotipi virali.

In una forma di complementazionenota come «mescolamento fenotipico», unvirus acquisisce da un altro alcuni trattiosservabili (fenotipici, appunto). Questofenomeno coinvolge spesso un conflittoper le proteine usate per creare il capsidevirale, l'involucro che protegge il mate-riale genetico del virus. Il mescolamentofenotipico permette a un virus di acquisirele proteine del capside dal pool di risorse di

virus diversi: un vantaggio cruciale, per-ché sono alcune proteine presenti sul cap-side a decidere se il virus può legarsi a unparticolare recettore sulla cellula ospite.

L'interazione fra due virus vegetaliesemplifica l'importanza di questa strate-gia nella propagazione virale. I luteovirusinfettano quasi tutti i tipi di coltivazionialimentari o tessili. Questi patogeni rie-scono a spostarsi facilmente da una pian-ta all'altra chiedendo «un passaggio» aminuscoli insetti che succhiano la linfavegetale, gli afidi. Anche gli umbravirusinfettano le colture, ma non sono in gradodi farsi trasportare dagli afidi. La situa-zione cambia se luteovirus e umbravirusriescono a coinfettare la stessa pianta. Gliumbravirus rubano alcune proteine delcapside dal pool di risorse dei luteovirus,si agganciano agli afidi e si trasferisco-no così su una nuova pianta ospite. Nelfrattempo, gli sfortunati luteovirus subi-scono una perdita netta delle proteine dicui hanno bisogno per costruire la loroprogenie.

La complementazione può entrare ingioco anche nei conflitti in cui un virus siappropria di un enzima che un altro usaper replicarsi. L'esempio più noto coinvol-

[IMBROGLIO COME STRATEGIA EVOLUTIVA può essere studiato misurando la fitness di animali impegnati

in accoppiamenti o fecondazioni furtive, come questi pesci della specie Lepomis macrochirus. Nella

foto si osserva un maschio (a destra) mentre si avvicina a una femmina pronta per la riproduzione

(al centro) mimando il suo aspetto: in questo modo inganna un maschio cosiddetto «parentale»

(a sinistra) che corteggia la femmina per accoppiarsi e prendersi cura della prole.

QUANDO INFETTANO LA STESSA CELLULA i virus competono per le risorse disponibili. In alcuni casi si

verifica un fenomeno detto complementazione: un virus, cioè, può fornire un prodotto utile a un altro

virus. In questo esempio, il virus A ha un gene che codifica per una preziosa proteina di superficie

(potrebbe trattarsi di una proteina che gli consente di infettare altri tipi di cellule). Sebbene il virus

B sia privo del gene che codifica per questa proteina, può sottrarla al pool di risorse comuni situato

all'interno della cellula ospite. Il virus B riesce a utilizzare la proteina, mentre la prole del virus A è

costretta a subirne la carenza. Una forma di complementazione chiamata mescolamento fenotipico si

verifica quando un virus acquisisce dei tratti visibili (fenotipici) da un altro virus, come raffigurato in

questa illustrazione. Quando i virus imbrogliano può essere coinvolta la complementazione.

ge un virus normale e uno difettoso, disolito un virus con un genoma «accorcia-to» privo di uno o più geni fondamentali.Il fenomeno è stato descritto per la primavolta in esperimenti di laboratorio con ipoliovirus. Quando questi virus sono fatticrescere a elevata densità in una piastradi coltura si verifica una forte pressioneselettiva che provoca la perdita di alcu-ni geni: i virus, cioè, diventano difettosi,poiché quelli con il genoma accorciato sireplicano più velocemente dei virus il cuigenoma mostra una lunghezza normale.

I virus difettosi interferiscono con ilsuccesso riproduttivo di quelli normaliusando i loro prodotti genici, cosicché ivirus normali assumono il ruolo di aiu-tanti (detti helper). Poiché i virus si ripro-ducono in modo esponenziale, anche unleggero vantaggio nella velocità di repli-cazione può portare a drastiche differenze.Il problema dei virus «difettosi-interferen-ti» è che dipendono completamente daglihelper per ottenere proteine chiave. Se ilvantaggio replicativo dei virus difettosi-interferenti provoca l'estinzione degli hel-per, entrambi i ceppi muoiono.

La maggioranza dei virologi conside-ra i virus difettosi-interferenti come unosfortunato inconveniente che può com-promettere gli obiettivi delle loro ricerche,per esempio contaminando la purezza diun vaccino commerciale. Per un ecologomicrobico, invece, i virus difettosi-interfe-renti sono particolarmente affascinanti acausa della loro natura di parassiti di altriparassiti, o superparassiti, un fenomenoche si osserva raramente in biologia.

Può venire spontaneo chiedersi se ivirus difettosi-interferenti non sianosemplicemente artefatti di laboratorio.Alcune recenti ricerche suggeriscono cheun fenomeno simile potrebbe non essereinsolito anche in vivo. 11 superparassitismonaturale è stato osservato fra i virus cheinfettano gli allevamenti e le coltivazioni.La maggioranza dei virus difettosi iden-tificati all'interno di questi sistemi sonovirus satelliti e, di solito, non mostranoalcun rapporto con il loro helper. Per con-tro, i virus difettosi-interferenti presenta-no somiglianze genetiche riconoscibili congli helper da cui si sono evoluti perdendoalcuni geni. I virus difettosi-interferentipotrebbero essere rari in natura perché glihelper sembrano evolvere una resistenzaall'infezione parassitica da parte di virus

Per la teoria evolutiva dei giochi, gli imbroglionidvranno il sopravvento h lla polazione

62 LE SCIENZE

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LE SCIENZE 63

LE PARTICELLE VIRALI del batteriofago phi-6

(cerchi piccoli nella foto a sinistra), che in

laboratorio crescono sui batteri appartenenti

alla specie Pseudomonas phaseolicola (forme

a losanga più grandi nella foto), sono le

protagoniste degli esperimenti della teoria

evolutiva dei giochi. Il corredo genetico di

ciascuna particella phi-6 (sotto) è l'RNA,

racchiuso in un involucro proteico (o capside)

e in una membrana lipidica. I batteriofagi

phi-6 possono entrare in competizione fra

loro per accaparrarsi le proteine necessarie

alla costruzione del capside dal pool di risorse

comuni presenti nell'ospite batterico.

Proteine à'di superficie 2

EP

Capside

L'AUTORE

PAUL E. TURNER è professore di ecologia

e biologia evolutiva alla Yale University.

Nel 1995 ha conseguito il dottorato di

ricerca alla Michigan State University.

Si occupa di ecologia e di evoluzione

di malattie infettive utilizzando come

modelli popolazioni di microbi coltivati

in laboratorio. Questo articolo è stato

originariamente pubblicato su «American

Scientist » n.5, settembre-ottobre 2005.

a cui sono strettamente imparentati. Perqualche ragione, è più facile che i virussatelliti riescano a eludere le resistenzemesse in atto dagli helper.

Non risulta che i virus difettosi svol-gano un ruolo rilevante nelle patologieumane, ma un'eccezione degna di nota èil virus dell'epatite delta, un satellite asso-ciato al suo helper, il virus dell'epatite B.Insieme, questi due virus provocano undanno al fegato insolitamente grave neicasi di epatite cronica attiva. Non è chiarocome mai i virus difettosi non siano piùcoinvolti nelle malattie dell'uomo, ma èpossibile che i clinici non abbiano ancorascoperto altri esempi presenti in natura.

Anche se i virus superparassiti possonoevolvere con estrema rapidità, è altrettantofacile che la loro stretta dipendenza daglihelper li faccia finire in una sorta di vico-lo cieco evolutivo. Studiare il successo deivirus parassiti in natura sarebbe un compi-to scoraggiante, poiché le variabili incon-trollate sono troppe. Ma le interazioni vira-li possono essere analizzate in laboratorioin condizioni controllate, misurandone iltasso di crescita relativo, e questo approc-cio può essere migliorato con l'impiegodi modelli matematici che esplorano conquanta facilità emergono e se, e quanto alungo, persistono i virus parassiti. E poichéla teoria dei giochi si interessa da moltotempo al successo dei parassiti e di altriimbroglioni, vi sono numerosi modellimatematici tra cui scegliere.

Ouando il crimine paga

Per capire come si può applicare lateoria dei giochi alle interazioni virali,prendiamo l'esempio del famoso «dilem-ma del prigioniero». I protagonisti sonodue persone interrogate separatamente aproposito di un crimine L'inquisitore offrea ciascun prigioniero due alternative: seentrambi tacciono (cooperano), ciascunodi loro riceverà una condanna mite: unsolo anno di reclusione. Se entrambi con-fessano, finiranno tutti e due in prigioneper dieci anni. Ma se a confessare è unosolo dei due - in altre parole, se bara, tra-dendo l'altro - il cooperatore è condan-nato a vent'anni mentre l'imbroglione èrimesso in libertà. Qual è la scelta miglioreper un prigioniero?

La teoria dei giochi sostiene che il favo-rito è sempre chi bara, perché l'inganno,

pur facendo rischiare una lunga condan-na, offre l'unica possibilità di ottenere laricompensa migliore: la libertà. Il risulta-to è affascinante, perché spiega come unaricompensa potenziale, ma incerta, puòindurre gli individui a comportarsi in unmodo che è collettivamente irrazionale:se entrambi i prigionieri seguono il lorointeresse individuale, perdono.

Quando le diverse strategie sono asso-ciate alle differenze genetiche sottostan-ti, la teoria dei giochi è applicabile allostudio dell'evoluzione. Divulgata dalbiologo inglese John Maynard Smith, lateoria evolutiva dei giochi entra in cam-po quando il successo riproduttivo di unindividuo, o fitness, è dipendente dallafrequenza. Prendiamo l'esempio di unpredatore che si nutra preferenzialmentedel tipo di organismo più comune in unapopolazione di prede perché è il più facileda riconoscere. Le prede con un aspettopiù insolito, magari un colore del pelo noncomune, avranno un maggior successoriproduttivo perché non sono notate dalpredatore. Tuttavia il vantaggio diminuiràvia via che questo tipo di preda diventapiù comune, e quindi più riconoscibile agliocchi del predatore.

La teoria evolutiva dei giochi valutacosti e benefici in termini di fitness asso-ciata a strategie diverse, predicendo cosìil destino evolutivo delle varie tipologie.Il metodo prevede la creazione di unamatrice 2x2 che contiene tutte le intera-zioni fra due strategie diverse (si veda loschema qui a fianco). Ogni dato immes-so nella matrice consiste nel vantaggioriproduttivo ottenuto da chi ha adottatoun tipo di strategia nel momento in cuiinteragisce con l'altro. La matrice, dun-que, rivela il successo relativo delle variestrategie fino al punto in cui è possibilecalcolare i valori matematici di fitness.Quando una popolazione si evolve finoa contenere solo individui con un'unicastrategia, questa viene definita «strategiaevolutiva stabile». Se, fra due strategie,nessuna è in grado di sostituirsi all'altra,come nell'esempio preda-predatore sopradescritto, entrambe coesisteranno inde-finitamente: in questo caso, si parla di«strategia evolutiva mista stabile».

Nel dilemma del prigioniero, la teoriaevolutiva dei giochi suggerisce che gliimbroglioni finiranno per avere il soprav-vento: l'egoismo si rivela la strategia evo-

Cooperatore Imbroglione

L'

rT,a>o_oo<._)

RicompensaRicompensa

del gonzo

o.2'30

,2E

Tentazione

di imbrogliarePunizione

UNA MATRICE ILLUSTRA UN CASO DI COMPETIZIONE

fra un «imbroglione» e un «cooperatore»

mostrando il risultato di ciascuna coppia di

interazioni quando un individuo (a sinistra)

incontra l'altro individuo (in alto). Un cooperatore

che ne incontra un altro è ricompensato, mentre

se incontra un imbroglione riceve la «ricompensa

del gonzo»: tipicamente, la perdita di risorse utili.

Quando un imbroglione ne incontra un altro non

c'è guadagno, e i due subiscono di solito qualche

forma di punizione. È possibile determinare

il successo relativo degli imbroglioni e dei

cooperatori quando si possono quantificare costi

e benefici per ciascuna delle interazioni. Quando

queste strategie sono associate alle diversità

genetiche esistenti, una matrice di questo tipo è

in grado di prevedere se una tattica ne sostituirà

un'altra nel corso dell'evoluzione.

lutiva stabile. Il risultato è sorprendenteperché è in qualche modo contrario allateoria dell'evoluzione per selezione natu-rale di Darwin. Il darwinismo sostiene chele differenze tra le performance indivi-duali consentono agli individui più adattidi avere una prole più numerosa, e chequesto, col tempo, porta la popolazionead adattarsi meglio all'ambiente. Il dilem-ma del prigioniero indica che gli imbro-glioni riescono a sostituire con successo

i cooperatori, diminuendo al contempo lafitness media della popolazione. È faciledimostrare matematicamente il dilemmadel prigioniero, ma ci sono voluti gli espe-rimenti in vitro sui virus per dimostrareche questa strategia può verificarsi anchein una popolazione biologica.

Prove tecniche di evoluzione

Insieme a Lin Chao, dell'Università del-la California a San Diego, abbiamo ideatouna serie di esperimenti per studiare l'evo-luzione delle interazioni comportamentalifra i virus. Nel nostro caso i giocatori era-no dei batteriofagi o «fagi», cioè virus cheinfettano i batteri. In genere non si pensaai fagi come dotati di comportamento,ma si sono rivelati molto utili per testaremodelli che trattano strategie comporta-mentali conflittuali nella teoria evolutivadei giochi. Prove che sarebbe stato difficile,se non addirittura impossibile, effettuarecon organismi più evoluti.

Ci siamo serviti di un fago chiamatophi-6, un virus a RNA appartenente allafamiglia dei Cystoviridae, che aggrediscei batteri che infettano le leguminose. Invitro, di solito il virus cresce su batteridella specie Pseudomonas phaseolicola.

Combinando il fago e le popolazioni bat-teriche in rapporti diversi non è difficilecontrollare se un virus infetterà una cellu-la batterica da solo o se infetterà la stessacellula assieme ad altri virus.

Chao e io abbiamo creato sei popola-zioni sperimentali di phi-6 crescendole subatteri della specie P. phaseolicola. A tredi esse abbiamo consentito di sviluppar-si raggiungendo il rapporto fago-ospiteche dà origine esclusivamente a infezionisingole. Le altre tre popolazioni, invece,sono state fatte crescere secondo rapportiche consentivano le coinfezioni con unamedia di circa due o tre virus per batterio.Abbiamo poi lasciato sviluppare i virus per50 giorni, corrispondenti all'evoluzione dicirca 250 generazioni di fagi.

A quel punto, le popolazioni evolu-te sono state collocate in un «ring» fattoda una piastra di agar, e messe in com-petizione con le loro antenate, congelatee poi rivitalizzate. Abbiamo così potutostimare i cambiamenti nella fitness, defi-niti misurando il tasso di crescita dei virussui batteri. Se entrambi i virus crescevanougualmente bene, la fitness del virus che siera evoluto rispetto a quella del suo ante-nato era considerata uguale a 1; se invecel'evoluzione aveva migliorato o peggio-

rato la capacità di crescita virale, allora ilsuccesso riproduttivo era rispettivamentemaggiore o minore di 1.

Lo studio ha prodotto un risultatosignificativo: i virus coltivati nelle popo-lazioni coinfettate avevano una fitnessdecisamente maggiore durante le coin-fezioni che durante le infezioni singole.Questo risultato è coerente con la possi-bilità che l'evoluzione in condizioni dicoinfezione selezioni virus imbroglioni:genotipi in grado di usare in modo effi-ciente i prodotti di altri virus nel pool dirisorse, ma meno efficienti nell'usare leproprie. I virus evoluti avevano anche lacapacità di infettare i batteri e replicarsiautonomamente, e ciò indicava che gliimbroglioni non erano semplicementevirus difettosi-interferenti che avevanoperduto dei geni chiave. Poiché il virusancestrale non mostrava alcun vantaggiodurante la coinfezione con altri genotipivirali, abbiamo definito la strategia ance-strale come cooperazione.

L'evoluzione dei virus imbroglioni conun set di geni completo è stata un'oppor-tunità unica di controllare se il fago erainvischiato nel dilemma del prigioniero.Dovevamo confermare due previsionichiave. In primo luogo, che la fitness degli

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LE SCIENZE 65

PER APPROFONDIRE

DENEHY J.J. e TURNER RE., Reduced fecundity is the cost of cheating in RNA virus phi-6, in«Proceedings of the Royal Society: Biological Sciences», n. 271, pp. 2275-2282, 2004.

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imbroglioni rispetto a quella dei coopera-tori ancestrali dipendesse dalla frequenza:che risentisse cioè del rapporto fra imbro-glioni e cooperatori. Secondo il model-lo, infatti, gli imbroglioni esibiscono lafitness migliore quando sono in nume-ro inferiore ai cooperatori. La secondaprevisione era invece che gli imbroglionisostituissero completamente i cooperatoriancestrali, dominando la popolazione. Sequesti due criteri fossero stati soddisfatti, ese la conquista da parte degli imbroglioniavesse portato a un declino della fitnessmedia della popolazione, allora i risultatisarebbero stati coerenti con il dilemma delprigioniero.

Organizzammo una serie di competi-zioni fra un imbroglione evoluto e il coo-peratore ancestrale. Per testare quanto lafitness dipendesse dalla frequenza, i dueceppi sono stati rappresentati a diverse

frequenze iniziali (che variavano fra 0,1e 0,9) per ciascuna gara, con titoli viralisufficientemente elevati da consentire lacoinfezione. Dopo aver fatto competerei ceppi per cinque generazioni abbiamoscoperto che, in effetti, la fitness dell'im-broglione diminuiva di colpo quando lasua frequenza iniziale aumentava. In altreparole, quando gli imbroglioni eranopochi, in genere erano coinvolti in coin-fezioni con i cooperatori anziché con altriimbroglioni, e quindi acquisivano un van-taggio riproduttivo grazie alla loro capaci-tà di usurpare le componenti presenti nelpool di risorse. Quando invece gli imbro-glioni erano molti, tendevano a coinfetta-re le cellule assieme ad altri imbroglioni,ma così non potevano approfittare del lorocomportamento egoistico.

Lo stesso esperimento ha confermatoanche la seconda previsione: gli imbro-glioni devono prendere il controllo dellapopolazione. La fitness degli imbroglionievoluti rispetto al cooperatore ancestraleera sempre maggiore di quella presente intutti i rapporti iniziali. Questo vantaggiocomplessivo prevede che l'imbroglioneevoluto finisca sempre col sostituire il coo-peratore primitivo. Il consistente vantag-gio competitivo consente agli imbroglioni

un rapido incremento numerico. Anche sel'inganno comporta un costo che aumentacon l'aumentare del numero di imbroglio-ni, i cooperatori che avevano interagitocon gli imbroglioni mostravano semprela fitness più ridotta. Per questa ragione,nulla poteva impedire agli imbroglioni diavere il sopravvento. Il nostro studio è sta-to il primo a dimostrare l'evoluzione deicomportamenti irrazionali ed egoistici neisistemi biologici.

Equilibri precari

Anche le interazioni fra i virus difet-tosi-interferenti egoisti e i virus helpercooperatori possono essere spiegate conla teoria dei giochi. Prendiamo una popo-lazione interamente composta da helpercooperatori che crescono in un ambientedove la coinfezione è comune. Se un virus

difettoso-interferente mutante entra inquella popolazione ha un vantaggio ripro-duttivo molto elevato, poiché è circonda-to da cooperatori che forniscono prodottigenetici essenziali. In questo modo i virusdifettosi-interferenti diventano semprepiù comuni nella popolazione.

Però via via che la frequenza relativadegli individui egoisti aumenta, la lorofitness diminuisce, perché c'è un numerosempre più ridotto di cooperatori. Se i virusdifettosi-interferenti prendono il controllo,la loro fitness scende a zero perché nonsono in grado di riprodursi in modo auto-nomo. In questo caso, la strategia dei virusdifettosi-interferenti può persistere soltan-to evolvendosi in una strategia evolutivamista stabile che coinvolge anche un virushelper. I teorici del gioco evolutivo chia-mano questa strategia «gioco del pollo».

Non è ancora chiaro come fanno i geno-tipi egoisti phi-6 a sequestrare in manieracosì efficiente i prodotti del pool di risorsea danno del loro antenato cooperatore. Irisultati ottenuti da altri esperimenti conphi-6 suggeriscono che vi sia implica-to il fenomeno della complementazione.Quando si consente al ceppo ancestralephi-6 di coinfettare la stessa cellula condiversi mutanti meno adatti del virus, nel-

la prole compare un numero di mutantimaggiore di quello atteso. Ciò suggerisceche la complementazione può accaderepassivamente ogni volta che genotipi mul-tipli di phi-6 infettano la stessa cellula.

I virus imbroglioni possono evolversiperché la loro prolungata esposizione allacoinfezione determina una selezione cheli spinge a divenire più efficienti quanto acomplementazione, una caratteristica cheera già presente nell'antenato. Questo pre-suppone che la complementazione non siasempre totalmente passiva e che, quindi,possa essere migliorata attraverso la sele-zione. Una possibilità è che gli imbroglioninon siano molto efficienti nella produzionedi proteine necessarie per il capside, il chepotrebbe spiegare la loro scarsa produt-tività nel processo infettivo individuale.Tuttavia, possono essere molto efficientinel forzare l'ingresso nei capsidi prodot-

ti dai cooperatori durante la coinfezione.È probabile che gli imbroglioni abbianosviluppato meccanismi che riconoscono illegame e l'ingresso nei capsidi virali.

Fuori dal laboratorio

Gli studi in vitro sui virus imbroglioni esui batteri possono apparire un po' esoterici,ma sono utili per capire l'ecologia e l'evo-luzione dei microrganismi, tanto in naturaquanto in contesti medici e commerciali.Si sa poco delle interazioni in natura framicrorganismi; in effetti, la maggior partedelle specie microbiche deve ancora esse-re descritta. La strategia dell'imbroglio èstata osservata in vitro in virus, batteri emixomiceti, ed è verosimile che anche nel-le comunità naturali di questi organismi,prima o poi, si scoprano dei bari.

Gli esseri umani usano fin dall'anti-chità batteri e lieviti per la produzione el'aromatizzazione di cibi e bevande. Piùdi recente, l'uomo ha coltivato microrga-nismi per creare vaccini, che spesso sonocostituiti da microbi indeboliti o inattivati.Ora abbiamo vaccini contro malattie infet-tive come la poliomielite, il morbillo e gliorecchioni, e molti ricercatori sono impe-gnati nello sviluppo di vaccini per malattie

come l'AIDS e la malaria. In zootecnia, ivaccini sono usati per prevenire malattienel bestiame, e le coltivazioni irrorate convirus o batteri per combattere le malattiedelle piante o colpire gli insetti nocivi. Laricerca descritta in questo articolo sug-gerisce che i produttori di microrganismidovrebbero stare attenti alla possibilità chevirus imbroglioni contaminino i prodotti.

D'altra parte, i virus imbroglioni schiu-dono nuove prospettive di applicazionedei microrganismi. Per esempio, si sta cer-cando di capire se ceppi difettosi di HIVsiano in grado di interferire con la capaci-tà dell'HIV normale di replicarsi e diffon-dersi nell'organismo e quindi di preveni-re o ritardare lo sviluppo dell'AID 5 negliindividui contagiati da questo virus.

In seguito al nostro studio, è statosuggerito che anche alcune popolazionidi lieviti e di batteri potrebbero svilup-parsi con uno schema simile al dilemmadel prigioniero. Alcune cellule di lievitorinunciano a produrre gli enzimi neces-sari a digerire gli zuccheri preferendoappropriarsi di zuccheri digeriti dai coo-peratori. E alcuni mutanti batterici bara-no ignorando di proposito un segnalechimico di arresto della crescita. Ma nontutti concordano sul fatto che il dilemmadel prigioniero sia il modo migliore perdescrivere le interazioni fra microrgani-smi. I microbi sono incapaci di comporta-menti complessi tipici delle forme di vita«più evolute», per cui modelli matematicinon basati sul comportamento animale

LA SCOPERTA CHE I VIRUS BARANO dovrebbe

awertire i produttori di vaccini dei rischi di

contaminazione da parte di questi microrganismi.

potrebbero fornire una descrizione piùaccurata di questi fenomeni.

Un'interpretazione alternativa compren-de «produttori» e «scrocconi». Un produtto-re spende energia generando opportunitàdi sfruttamento delle risorse essenziali persopravvivenza e riproduzione; uno scroc-cone, invece, approfitta di queste oppor-tunità, appropriandosi delle risorse che iproduttori estraggono dall'ambiente. Inquest'ottica, il fago ancestrale phi-6 è ilproduttore, mentre i virus discendenti chesi sono evoluti durante la coinfezione sonogli scrocconi. Le risorse limitate potrebbe-ro essere gli enzimi di replicazione o altreproteine essenziali per la produzione dellaprogenie. Quando gli scrocconi sono rariincontrano spesso produttori, e quindihanno molte opportunità di catturare lerisorse. Gli scrocconi sono avvantaggiati edovrebbero aumentare quando sono rari.

L'analogia produttore/scroccone pre-sume che scroccare abbia un costo, chepotrebbe semplicemente essere un incre-mento nella competizione fra scrocconiquando diventano numerosi. Se la stra-tegia dello scroccone non comporta costitroppo elevati, sostituirà nella popolazionequella del produttore. Ma se ciascun pro-duttore trattiene una frazione consisten-te delle risorse che produce, nonostanteun'elevata frequenza di scrocconi i pro-duttori aumenteranno quando sono poconumerosi e porteranno le due strategie afondersi in una miscela equilibrata.

Ovviamente i conflitti cooperatore/im-broglione e produttore/scroccone hannomolte somiglianze: la più importante èche entrambi riguardano il parassitismo diun virus da parte di un altro. Una diffe-renza è che gli scrocconi sono bravissimisoprattutto nella competizione indirettaper le risorse rare, mentre gli imbroglio-ni sono specializzati nella competizionediretta con i loro particolari virus helper.Così, l'analisi della fitness relativa a unavarietà di genotipi virali può chiarire se untipo di conflitto possa descrivere megliodell'altro l'intera situazione. In entrambii casi, a essere coinvolti sono sempre unimbroglione e un gonzo. E la battuta attri-buita a Barnum potrebbe diventare «ognimicrosecondo nasce un gonzo».

È la prima ricerca che dimostra l'evoluzione dicomportamenti egoistici nei sistemi bioloeici

66 LE SCIENZE

449 /gennaio 2006

www.lescienze.it

LE SCIENZE 6?