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.
