Разработчики компьютерного моделирования находят доказательства того, что сочетание конкуренции, хищничества и эволюции должно подтолкнуть экосистемы к разнообразию видов во всей Вселенной.
«Кологи давно задавались вопросом, как разные виды планктона, конкурирующие за одни и те же ресурсы в морских экосистемах, могут демонстрировать такое разнообразие.
На заседании Американского общества натуралистов в 1960 году известный британский эколог Дж.
Велин Хатчинсон описал " планктонный парадокс «Если вы посмотрите на колбу с морской водой, она будет наполнена разными представителями планктона, конкурирующими за одни и те же жизненно важные элементы и питательные вещества.
При этом естественный отбор утверждает, что с течением времени одну экологическую нишу должен занять один вид - это понятие известно как заголовок " принцип конкурентного исключения «То, что верно для планктона, верно и для многих простейших, растений, птиц, рыб и других организмов.
Как в экосистемах может существовать так много конкурирующих видов, находящихся в стабильном сосуществовании? С тех пор экологи размышляют над этим досадным парадоксом, но обычно успокаиваются, выдвигая в качестве решения гипотезу».
убить победителя (UP) [убить победителя, KTW].
Он основан на отношениях хищник-жертва, которые существуют в экосистеме, возникающей между определенными видами.
Когда один вид начинает вытеснять конкурентов, рост его популяции позволяет хищникам Хищники в конечном итоге сокращают количество добычи (отсюда и «убить победителя»).
Сочетание конкуренции и хищничества позволяет нескольким популяциям враждующих видов сосуществовать в равновесии.
Гипотеза ПМ стала удобным объяснением для многих экологов.
Найджел Голденфельд и Чи Сиу из Института астробиологии и универсальной биологии НАСА и Института биологической геномики НАСА.
Карла Везе Когда Найджел Голденфельд, директор Института астробиологии и универсальной биологии НАСА, и Чи Сиу, аспирант его лаборатории в J. Carl Woese, начали более детально изучать гипотезу UE в 2015 году, они не собирались ее опровергать.
.
Они изучали, какие свойства жизни и экосистем могут быть повсеместно распространены в космосе.
Биоразнообразие казалось хорошим кандидатом на это свойство.
«Если вы посмотрите на различные изолированные экосистемы на Земле, вы увидите, что биоразнообразие существует повсюду», — сказала Сью.
Они задались вопросом, что может создать и сохранить это биоразнообразие и будут ли аналогичные факторы работать на других планетах.
Но они обнаружили, что расчеты, которые обычно использовались в моделях для подтверждения гипотезы ПМ, были нереалистичны.
«Они описывают популяции так, как будто особей не существует. Это как если бы мы описывали жидкость, не учитывая атомы», — объяснил Голденфельд в электронном письме.
Поскольку эти модели позволяли популяциям восстанавливаться даже после того, как количество особей упало до нескольких процентов, они недооценили вероятность вымирания.
Гольденфельд и Сью назвали эту проблему отсутствием «стохастического шума», поскольку расчеты математически не отражают случайные разрывы, налагаемые ограничениями реального мира.
Сью и Голденфельд решили изменить дизайн моделей, чтобы они выглядели более реалистично.
«Мы не ожидали, что гипотеза ПМ перестанет работать», — сказала Сью.
«Мы просто хотели посмотреть, повлияет ли добавление шума на ситуацию».
Результаты, которые они недавно описали в журнале Physical Review Letters, оказались катастрофическими.
Показатели биоразнообразия и сосуществования видов не просто снизились — они исчезли.
«По сути, все виды вымерли», — сказала Сью.
В ходе повторных испытаний колеблющаяся популяция жертв постоянно падала до нуля, а затем из-за нехватки пищи вымирали и хищники.
Иногда система деградировала до одной пары видов — жертвы и хищника, существовавшей довольно длительное время, но эти варианты не всегда были устойчивыми.
Богатое видовое разнообразие, присущее природе, нигде не было обнаружено.
Но Сью и Голденфельд пошли еще дальше, включив в модель то, что не учитывалось в предыдущих симуляциях: эволюцию.
Они позволили добыче научиться лучше уклоняться от хищников, а хищникам — лучше ловить добычу.
Результатом стала гонка вооружений, в которой растущие возможности добычи и хищников развивались параллельно, и это изменило все.
Эта конкуренция добавила в систему видовое разнообразие, а последствия UE не позволили одному виду победить.
Биоразнообразие расцвело.
Сью и Голденфельд видят доказательства коэволюционной динамики в природе в геномике.
«Если вы посмотрите на бактерию и ищите области генома, которые развиваются быстрее, эти области связаны с устойчивостью к вирусам», — сказала Сью.
Как показывает их модель коэволюции UP, влияние естественного отбора на устойчивость к вирусам также усиливает другие мотивы — например, лучшую конкуренцию с другими бактериями.
Но доказательства все еще не совсем убедительны, и исследователи планируют более внимательно изучить возможность обобщения своих выводов.
Они хотят посмотреть, что произойдет, если хищники будут менее разборчивы в отношении своей добычи.
Еще одна вещь, о которой следует подумать, говорит Голденфельд, заключается в том, что вирусы не только убивают бактерии и другие клетки, но и иногда передают гены между ними.
По его словам, эта двойная роль «хищника и таксиста для генов» может иметь серьезные последствия для эволюции и стабильности экосистем.
Также неясно, применима ли модель коэволюции ПМ в равной степени ко всем видам жизни.
«В принципе, взаимодействие между хищниками и добычей не ограничивается микроорганизмами.
Оно распространяется повсюду, вплоть до зайцев и лисиц», — сказала Сью.
Но она также отметила, что их модель предполагает, что эволюционные изменения (мутации) и экологические изменения (рождение и смерть организмов) происходят в одном и том же временном масштабе и примерно с одинаковой частотой.
«Для таких видов, как зайцы и лисы, это не так, но для микроорганизмов это обычное явление».
По мнению Джеда Фурмана, профессора биологических наук Университета Южной Калифорнии, моделирование в целом является полезным подходом, но использовать его следует с осторожностью.
«Некоторые предположения и аспекты напрямую применимы к сложным природным системам, а некоторые нет».
Поскольку даже микробные сообщества используют разные стратегии выживания, сказал он, «эти модели могут быть применимы к одним частям сообщества больше, чем к другим».
Но если модель продемонстрирует широкую применимость, то, по мнению Гольденфельда, «она покажет, что существуют очень общие подходы к получению разнообразных популяций в экосистеме, и что монокультуры являются исключением, а не правилом».
Можно ожидать, что эволюция жизни, даже на других планетах и лунах, приведет к появлению множества сложных экосистем.
Он сказал, что одной из будущих работ его лаборатории будет изучение «возникновения коллективного метаболизма» у множества организмов, каждый из которых по-разному обрабатывает материалы в своей общей среде.
Сатурн, шестой по величине спутник Сатурна, считается одним из самых многообещающих мест в Солнечной системе, где может развиваться внеземная жизнь.
Потоки воды выходят из трещин на его ледяной поверхности, что указывает на наличие подо льдом огромного океана воды.
Эта идея может быть полезна для исследования космоса, когда мы отправим зонды для поиска жизни в океанах подо льдом, покрывающим поверхность спутника Юпитера Европы и спутника Сатурна Нселадас.
Если там есть жизнь, им нужно будет увидеть биохимические признаки целых экосистем, а не отдельных организмов.
По словам Кевина Питера Хэнда, заместителя руководителя проекта Лаборатории реактивного движения НАСА, инструменты, разрабатываемые для зондов, отправляющихся на Марс, Европу, Землю и другие потенциальные места обитания жизни, уже ищут признаки, связанные с экосистемами.
Он сказал, что предлагаемая концепция европейского зонда, над которой он работает, специально разработана для «охвата как минимум девяти различных, взаимодополняющих, видово-нейтральных измерений», таких как сложность и хиральность органических соединений и наличие в образцах структур, напоминающих клеточные.
Но если астробиологи смогут смириться с фундаментальным существованием внеземной жизни и смогут начать изучать, как динамика инопланетных экосистем напоминает земные экосистемы, тогда знание решения парадокса планктона может сыграть решающую роль.
Теги: #эволюция #Популярная наука #биоразнообразие
-
Сверхпроводимость
19 Oct, 24 -
90% Людей Не Знают О Ctrl+F
19 Oct, 24 -
Управление Обеспечением Качества
19 Oct, 24
