Парадоксы эволюции жизни

Экологи

не понимают, как различные виды планктонов, которые конкурируют за одни и те же ресурсы в морских экосистемах, могут иметь такое устойчивое разнообразие.

На собрании Американского общества натуралистов в 1960 году известный британский эколог Г. Эвелин Хатчинсон озвучил проблему, которую назвал “парадокс планктона”.

“Посмотрите на фляжку морской воды” – заявил он. “Она будет наполнена разнообразными видами планктона,и все они конкурируют за одни и те же жизненные элементы и питательные вещества”.

Однако естественный отбор предполагает, что со временем только один вид должен занять всю экологическую нишу. Эта концепция известна как конкурентное исключение. И то, что верно для планктона, похоже, справедливо и для многих простейших, растений, птиц, рыб и других организмов. Та как же экосистемы, которые обычно имеют много конкурирующих видов, успешно и стабильно сосуществуют?
С тех пор экологам очень мешает этот досадный парадокс, но обычно их удовлетворяет решение, известное как гипотеза «убить победителя» “kill the winner” (KTW). Она описывает отношения хищник-жертва в экосистемах, которые часто являются специфическими для этих видов. Когда один вид начинает вытеснять своих конкурентов, его растущее население позволяет большему числу своих хищников процветать. “Предательство” в своей среде в конечном итоге уменьшает число хищников. Сочетание конкуренции и хищничества позволяет нескольким популяциям конкурирующих видов сосуществовать в равновесии. Гипотеза KTW стала стандартным ответом экологов для объяснения биоразнообразия конкурирующих видов.
Найджел Голденфельд, директор Института астробиологии и универсальной биологии, и Чи Сюэ, аспирант лаборатории в Институте геномной биологии, решили более внимательно изучить идею KTW в 2015 году. Их целью было изучение того, какие свойства жизни и наполненных ей экосистем могут быть общими во всем космосе. Разнообразие видов оказалось хорошим кандидатом для изучения. «Если посмотреть на разные изолированные экосистемы на Земле, мы увидим разнообразие видов в них повсеместно», – сказал Сюэ. Ученые решили выяснить, что именно может создать и поддержать такое разнообразие, и могут ли эти законы быть актуальным на других планетах.

Исследователи обнаружили

существенный недостаток в расчетах, которые традиционно использовались при моделировании для подтверждения идеи KTW: они “описывали популяции, как если бы индивидуумов не было. Это как если бы мы описали жидкость без признания того, что она состоит из атомов”, – сообщил Голденфельд.
Сюэ и Голденфельд решили переработать эти модели более реалистично. «Мы не ожидали, что идея KTW потерпит неудачу», – сказала Сюэ. «Мы просто хотели посмотреть, что будет, если мы добавим некоторые поправки».
Результаты, которые они недавно описали в Physical Review Letters, были ошеломляющими. Биоразнообразие и сосуществование видов не просто снижалось – оно исчезло. «В принципе, все виды исчезли», – сказала Сюэ. В повторных испытаниях популяция жертв продолжала снижаться до нуля, а затем и хищники вымерли из-за нехватки пищи. Иногда система переходила к одной паре хищников и видов добычи, которые сохранялись, но даже эти механизмы не всегда были стабильными. Видов разнообразия, найденного в природе, нигде не наблюдалось.

Затем ученые

сделали еще один шаг, чтобы добавить что-то еще, что ранее не учитывалось: эволюцию. Они позволили одним видам лучше уклоняться от хищников, а хищникам помогли лучше добывать добычу.
Последовала “гонка вооружений”, а поскольку эскалация возможностей добычи и хищников происходила параллельно, это имело скрьезное значение. Это соревнование добавило больше разнообразия видов в систему, в то время как эффекты KTW удерживали какой-либо один вид от захвата экосистемы. Биоразнообразие в полученных симуляциях процветало.
Сюэ и Голденфельд видят в генах животных доказательства того, что эта повторяющаяся динамика имеет место и в природе. «Когда мы исследуем бактерии и находим у них районы генома, которые развивались быстрее, эти участки связаны с сопротивлением вирусам», – сказал Сюэ. Как показывает их коэволюционная модель KTW, выбор направления эволюции, направленный на противостояние вирусам, похоже, превосходит другие направления – например, чтобы лучше конкурировать с другими бактериями».

Тем не менее, это не убедительное доказательство, и исследователи планируют далее исследовать, насколько обобщаемы их выводы. Они хотят видеть, что происходит, когда хищники менее специфичны в отношении своей добычи. Еще одно соображение, по мнению Голденфельда, заключается в том, что в дополнение к уничтожению бактерий и других клеток вирусы иногда заменяют гены среди них. Эта двойная роль – «как хищник, так и водитель такси для генов», – сказал он, – может оказать глубокое влияние на эволюцию и стабильность экосистем.

Также неясно

распространяется ли коэволюционная модель KTW одинаково хорошо на все виды жизни. «В принципе, это взаимодействие между хищником и жертвой не является специфическим для микроорганизмов. Это есть везде, как, например, между зайцем и лисой, – сказала Сюэ. Но она также отметила, что их модель предполагает, что эволюционные изменения (такие, как мутации) и экологические изменения (например, рождение и смерть организмов) происходят в одинаковые временные рамки и примерно с той же частотой. «Это не верно для видов, таких как как лиса и зайца, но это обычное явление в мире микроорганизмов».
По словам профессора биологических наук из Университета Южной Калифорнии, методы моделирования обычно приносят пользу, но интерпретировать их следует с осторожностью. «Одни предположения и аспекты более применимы к сложным природным системам, чем другие».

Но если широко распространенная модель KTW является широко применимой, то, по словам Голденфельда, она показывает, что «существуют очень общие способы получения разнообразных популяций в экосистеме и что монокультура – это исключение, а не правило». Везде, где жизнь эволюционирует, даже на других планетах и лунах, мы должны ожидать, что она будет диверсифицирована в сложные экосистемы. Он так же сказал, что одно из будущих направлений работы его лаборатории будет состоять в том, что бы выяснить, как возникает метаболизм сообщества из разных организмов, которые обрабатывают материал в их общей среде по-разному.
Эта идея может получить интерес у космических ученых, например, когда они отправляют будущие зонды для поиска признаков жизни в океанах под ледяными поверхностями луны Юпитера Европа и спутника Сатурна Энцелада. Если жизнь там существует, они, вероятно, должны увидеть биохимические знаки всей экосистемы, а не ее отдельных организмов.
По словам Кевина Питера Рука, заместителя проектного ученого из Лаборатории реактивного движения НАСА, для приборов, разрабатываемых с целью оснащения зондов, которые в будущем отправятся на Марс, Европу и Энцелад, а так же других претендентов на присутствие жизни, уже определяют признаки, широко связанные с наличием экосистем. Он сказал, что предлагаемая концепция миссии Europa Lander, над которой он работает, предназначена для сбора «по меньшей мере девяти различных высокотехнологичных измерений, которые являются агностическими для отдельных биологических видов», таких, как сложность и хиральность любых органических соединений и наличие клеточных структур в образцах.
Если астробиологи когда-либо преодолеют проблему существования жизни и могут перейти к изучению того, насколько динамика развития земных экосистем похожа на динамику чужой экосистемы, то решение “парадокса планктона” может быть очень полезна

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Комментировать

Войти с помощью: 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: