Эволюция спасает животных от катастроф типа «убей победителя»

https://www.quantamagazine.org/evolution-saves-species-from-kill-the-winner-disasters-20180212/
  • Перевод

Специалисты по компьютерному моделированию находят доказательства того, что комбинация конкуренции, хищничества и эволюции должна подталкивать экосистемы к разнообразию видов в любой части Вселенной



Экологи давно размышляют над тем, как у разных видов планктона, соревнующихся за одни и те же ресурсы в морских экосистемах, может наблюдаться такое разнообразие

На встрече Американского сообщества натуралистов в 1960 году известный британский эколог Дж. Эвелин Хатчинсон описал "парадокс планктона". Если рассмотреть колбу морской воды, то она окажется заполненной различными представителями планктона, соревнующимися за одни и те же жизненно важные элементы и питательные вещества. При этом естественный отбор утверждает, что со временем одну экологическую нишу должен занять один вид – эта концепция известна под названием "принцип конкурентного исключения". То, что верно для планктона, верно и для многих простейших, растений, птиц, рыб и других организмов. Как же в экосистемах может находиться так много конкурирующих видов в стабильном сосуществовании?

С того момента экологи раздумывают над этим досадным парадоксом, но обычно успокаиваются, выдвигая в качестве решения гипотезу "убей победителя" (УП) [kill the winner, KTW]. Она основана на существующем в экосистеме взаимоотношении «хищник-жертва», возникающего между определёнными видами. Когда один вид начинает выдавливать конкурентов, рост его популяции позволяет процветать и поедающим его хищникам. Хищники в итоге уменьшают количество жертв (отсюда и «убей победителя»). Комбинация конкуренции и хищничества позволяет нескольким популяциям враждующих видов сосуществовать в равновесии. УП-гипотеза стала удобным для многих экологов объяснением биоразнообразия.


Найджел Голденфелд и Чи Сью из Института астробиологии и универсальной биологии НАСА и Института биологической геномики им. Карла Вёзе

Когда Найджел Голденфелд, директор Института астробиологии и универсальной биологии НАСА, и Чи Сью, аспирант в его лаборатории в Институте биологической геномики им. Карла Вёзе, начали подробнее изучать УП-гипотезу в 2015 году, они не собирались её опровергать. Они изучали, какие именно свойства жизни и экосистем могут повсеместно встречаться в космосе. Биоразнообразие казалось хорошим кандидатом на такое свойство. «Если посмотреть на различные изолированные экосистемы Земли, то везде можно обнаружить биоразнообразие», — сказала Сью. Им было интересно, что может создавать и поддерживать это биоразнообразие, и будут ли подобные факторы работать на других планетах.

Но они обнаружили нереалистичность подсчётов, которые обычно использовались в моделях для подтверждения УП-гипотезы. «Они описывают популяции так, будто отдельных индивидов не существует. Это как если бы мы описывали жидкость, не учитывая атомы», — пояснил Голденфелд в письме. Поскольку эти модели позволяли популяциям восстанавливаться даже после того, как количество индивидов падало до нескольких процентов, они недооценивали вероятность вымирания. Голденфелд и Сью назвали эту проблему отсутствием «стохастического шума», поскольку вычисления не отражают математически случайные нарушения последовательностей, налагаемые ограничением реального мира.

Сью и Голденфелд решили заново переделать модели, придав им реалистичность. «Мы не ожидали, что УП-гипотеза перестанет работать, — сказала Сью. – Мы просто хотели посмотреть, изменится ли что-то при добавлении шума».

Результаты, описанные ими недавно в журнале Physical Review Letters, оказались катастрофическими. Числа по биоразнообразию и сосуществованию видов не просто упали – они исчезли. «По сути, все виды вымерли», — сказала Сью. В повторявшихся тестах колеблющиеся популяции жертв постоянно падали до нуля, а затем из-за недостатка еды вымирали и хищники. Иногда система деградировала до единственной пары видов, жертв и хищников, существовавших довольно долго, но и эти варианты не всегда были стабильными. Богатой видами диверсификации, свойственной природе, нигде не было.

Но Сью и Голденфелд сделали ещё один шаг, включив кое-что неучтённое предыдущими симуляциями: эволюцию. Они позволили жертвам улучшать способности ухода от хищников, а хищникам – становиться лучше в поимке добычи.

В результате развернулась гонка вооружений, когда повышающиеся возможности жертв и хищников эволюционировали параллельно, и это изменило всё. Это соревнование добавило разнообразия видов в систему, а эффекты УП препятствовали победе одного из видов. Биоразнообразие расцвело.

Сью и Голденфелд видят свидетельства наличия динамики совместной эволюции в природе в геномике. «Если изучить бактерию и найти участки генома, развивающиеся быстрее, то окажется, что эти участки связаны с сопротивлением вирусам», — сказала Сью. Как указывает их УП-модель совместной эволюции, воздействие естественного отбора в области сопротивления вирусам усиливает и другую мотивацию – например, лучше соревноваться с другими бактериями.

Но всё же это не полностью убедительные доказательства, и исследователи планируют тщательнее изучить обобщаемость их выводов. Они хотят посмотреть, что получится, если хищники будут менее привередливо относиться к жертвам. Ещё одна тема для размышления, говорит Голденфелд, заключается в том, что кроме убийства бактерий и других клеток вирусы иногда переносят между ними гены. Эта двойная роль – «хищника и таксиста для генов», — сказал он, — может иметь серьёзные последствия для эволюции и стабильности экосистем.

Также неясно, применима ли УП-модель совместной эволюции одинаково ко всем видам жизни. «В принципе, взаимодействие хищников и жертв не ограничивается микроорганизмами. Оно идёт повсеместно, вплоть до зайцев и лис», — сказала Сью. Но она также отметила, что их модель предполагает, что эволюционные изменения (мутации) и экологические изменения (рождение и смерть организмов) происходят на одной временной шкале и с приблизительно равной частотой. «Для таких видов, как зайцы и лисы, это неверно, но у микроорганизмов это часто встречается».

Согласно Джеду Фёрману, профессору биологических наук из Южнокалифорнийского Университета, моделирование обычно оказывается полезным подходом, но к нему необходимо относиться осторожно. «Некоторые предположения и аспекты непосредственно применимы к сложным естественным, системам, а некоторые – нет». Поскольку даже микробные сообщества применяют различные стратегии для выживания, сказал он, «модели могут быть применимы к одним частям сообщества больше, чем к другим».

Но если модель продемонстрирует широкую применимость, тогда, согласно Голденфелду, «она покажет, что для получения разнообразных популяций в экосистеме существуют весьма общие подходы, и что монокультуры являются исключением, а не правилом». Можно ожидать, что эволюция жизни, даже на других планетах и лунах, приведёт к разнообразию сложных экосистем. Он сказал, что одним из будущих направлений работы его лаборатории станет изучение «появления общественного метаболизма» из разнообразных организмов, каждый из которых перерабатывает в общем окружении материалы по-своему.


Шестой по размеру спутник Сатурна, Энцелад, считается одним из наиболее многообещающих мест в Солнечной системе, где могла развиться внеземная жизнь. Потоки воды пробиваются через трещины в его ледяной поверхности, указывая на наличие обширного водного океана подо льдом.

Эта идея может пригодиться для изучения космоса, когда мы будем отправлять зонды в поисках жизни в океанах подо льдом, покрывающим поверхность луны Юпитера, Европы, и луны Сатурна, Энцелада. Если там есть жизнь, они должны будут увидеть биохимические признаки целых экосистем, а не отдельных организмов.

Согласно Кевину Питеру Хэнду, заместителю руководителя проекта в Лаборатории реактивного движения НАСА, инструменты, разрабатываемые для зондов, отправляющихся на Марс, Европу, Энцелад и другие потенциальные убежища для жизни, уже ищут признаки, связанные с экосистемами. Он сказал, что предлагаемая концепция зонда для Европы, над которой он работает, специально сделана так, чтобы «снимать, по меньшей мере, девять различных, дополняющих друг друга измерений, не реагирующих на отдельные биологические виды», к примеру, сложность и хиральность органических соединений и наличие в пробах структур, напоминающих клеточные.

Но если астробиологи справятся с вопросом принципиального существования внеземной жизни и смогут начать изучать, насколько динамика чужих экосистем напоминает земную, тогда знание решения парадокса планктона может сыграть решающую роль.
Поделиться публикацией
Комментарии 11
    +4
    Роль хищников обычно играют паразиты, которые быстро эволюционируют и очень хорошо приспосабливаются к определеному хозяину. А так как скорость распространения паразита растет с протностью популяции хозяина (в отличии от хищников, они плохо бегают), их популяция растет быстрее, чнм линейно от популяции хозяина и они лучше выполняют функцию стабилизации.
      0
      «Если рассмотреть колбу морской воды, то она окажется заполненной различными представителями планктона, соревнующимися за одни и те же жизненно важные элементы и питательные вещества. При этом естественный отбор утверждает, что со временем одну экологическую нишу должен занять один вид – эта концепция известна под названием „принцип конкурентного исключения“.

      Вся статья, по сути, это объяснение этого противоречия. Но никакого противоречия тут нет! Разные виды планктона занимают немного разные экологические ниши, хотя они и соревнуются за одни и те же ресурсы. Просто они делают это по разному. Одни способны быстро плавать и поэтому легко находят самые богатые ресурсами области воды. Другие быстро размножаются и таким образом получают преимущество в богатой воде. Другие способны выживать в очень бедной воде. Еще одни могут впадать в анабиоз, пережидая периоды отсутствия еды.

      Поэтому один вид не сможет выдавить остальных, даже когда речь идет про планктон. У более развитых животных все еще сложнее. Да, коршун и гиена соревнуются за тот же ресурс — дохлятину, но они не занимают одну экологическую нишу, поэтому они не выдавят друг друга.
        0

        Потому что среди видов, которые конкурировали за один ресурс остался только один — коршун или гиена. Вы не учитываете виды, которые уже "выдавлены".

          0
          Именно. Пресловутая «ошибка выжившего»
        +3
        Во время чтения меня не отпускало стойкое чувство дежавю — ведь искусственный саморазвивающийся мир — это как раз та статья в далеком прошлом, которая дала мне возможность получить регистрацию на Хабре(она до сих пор существует, только хостинг с картинками загнулся).
        Но у них, конечно, симуляции куда круче моего поделия на php :)
          +3
          Но Сью и Голденфелд сделали ещё один шаг, включив кое-что неучтённое предыдущими симуляциями: эволюцию.

          Астробиологи такие астробиологи. Забыть про эволюцию и ждать биоразнообразия, фэйспалм…
            0
            Интересно: Что будет, если астробиолог найдет нестандартную разумную жизнь? Например, разумный кирпич (кто-то забыл ноутбук с ИИ на борту рядом с чайником Рассела), мега или микроструктуры необычной формы. Скорее всего — астробиологи ничего не заметят, т.к. их модели не будут похожими на найденную разумную жизнь, а, значит, разумная жизнь не будет считаться разумной и модели можно эксплуатировать дальше.
            Пока кто-то не догадается добавить к моделям эволюцию… Но где-то я это уже видел.
            0
            При этом естественный отбор утверждает, что со временем одну экологическую нишу должен занять один вид – эта концепция известна под названием «принцип конкурентного исключения».
            Это — неверно. Абсолютно умозрительное положение, базирующееся на стойки идеях мновекового возраста о том, что природа (переобозванная естественным отбором) стремится к идеальным решениям.
              0
              Никто природу не переобзывал. Естественный отбор как отбор, по определению, это процесс отфильтровывания сильнейших. Что может привести к доминированию одного вида в случае срабатывания «принципа конкурентного исключения».
                0
                Вы, увы, не правы. Никаких «сильнейших» не существует. Кто это вдруг должен решать, кто «сильнейший»? Получается креационизм чистейшей воды, в лучшем случае — ламаркизм.

                Естественный отбор — это только наличие зависимости между вероятностью смерти (не-оставления потомства, точнее) и свойствами объекта. Неважно, какими. Просто есть зависимость — есть отбор.

                Вдумайтесь в разницу между этими формулировками. Она, на самом деле, очень существенна.
              0
              А астробиологии на ближайшие сотни лет есть и будет проблема — все реально населённые сложной жизнью планеты, очень и очень далеко от нас, Землян, расположены. А если мы что и найдём на Марсе и прочем, то оно не будет в принципе сложнее вот таких вот штук, как черви, паучки и прочее.
              Тут вот люди в пещеру спустились в Абхазии, аж на 2 километра и нашли там биосистему, возрастом и древностью в десятки миллионов лет. Такое же, вполне реально сыскать на Марсе.

              Нету само собой хищников как в фильме Хищник и вообще нету сложных организмов. Ну имею ввиду наподобие льва, обезьян, китов. Все организмы довольно просты и явно имеют наземное происхождение, изначальное. Попали случайно и научились выживать.

              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

              Самое читаемое