Во всех экосистемах Земли, кроме самых экстремальных, наблюдается замечательное биоразнообразие. Когда многие виды конкурируют за один и тот же ограниченный ресурс, теория, называемая конкурентным исключением, предполагает, что один вид превзойдет другие и приведет их к исчезновению, что ограничит биоразнообразие. Но это не то, что мы наблюдаем в природе. Теоретические модели динамики населения не дали полностью удовлетворительного объяснения того, что стало известно как парадокс разнообразия.
Теперь исследователи из Carl R. Институт геномной биологии Вёзе при Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн пролил новый свет на этот фундаментальный вопрос экологии, улучшив популярный предложенный сценарий разнообразия, известный как «Убить победителя». Чи Сюэ и Найджел Голденфельд при поддержке Астробиологического института универсальной биологии НАСА, которым руководит Голденфельд, подошли к парадоксу разнообразия с точки зрения неравновесной статистической механики.
Голденфельд и Сюэ разработали стохастическую модель, учитывающую множество факторов, наблюдаемых в экосистемах, включая конкуренцию между видами и одновременное хищничество на конкурирующих видах. Используя в качестве примера бактерии и специфичные для них вирусы, исследователи показали, что по мере того, как бактерии развивают защиту от вируса, популяция вирусов также эволюционирует для борьбы с бактериями. Эта «гонка вооружений» приводит к разнообразию популяций обоих видов и к циклам подъема-спада, когда определенный вид доминирует в экосистеме, а затем разрушается - так называемый феномен «убей победителя». Этой коэволюционной гонки вооружений достаточно, чтобы найти возможное решение парадокса разнообразия.
Гольденфельд и Сюэ рассмотрели классический пример парадокса разнообразия из морской биологии, парадокс планктона. В наблюдаемых морских экосистемах многие виды планктона и штаммы бактерий сосуществуют и отличаются большим разнообразием.
Голденфельд объясняет: «Существует множество предварительных гипотез для решения парадокса. Нас интересует гипотеза «Убить победителя» (KtW). В двух словах, она говорит, что проблема с парадоксом разнообразия является предположением об устойчивом состоянии Реальная экосистема никогда не находится в устойчивом состоянии, а подвержена колебаниям населения из-за взаимодействия между хищниками и добычей.
Возьмем, к примеру, конкурирующие штаммы бактерий, каждый из которых является жертвой специфичного для хозяина вируса. В этом сценарии, как только определенный вид бактерий начинает доминировать в экосистеме, вирус (или бактериальный фаг), который охотится преимущественно на этого хозяина, будет иметь множество целей и поэтому будет размножаться, отбраковывая популяцию бактерий-хозяев. После этой вирусной атаки другой вид бактерий может стать самым многочисленным на какое-то время, пока его популяция также не уменьшится из-за его бактериального фага. Это специфичное для хозяина хищничество поддерживает сосуществование конкурирующих видов, предотвращая появление победителя, так что в некотором смысле виды проходят через циклы роста и спада изобилия».
«Более того, - добавляет Сюэ, - в системе, где планктон конкурирует с бактериями за ресурсы, группа простейших, которая охотится на все бактериальные штаммы, неизбирательно подавляет популяцию всего бактериального сообщества и, таким образом, оставляет место для видов планктона, чтобы выжить. Идея KtW работает здесь на двух уровнях: сосуществование бактерий и планктона в качестве первого слоя и сосуществование бактериальных штаммов в качестве второго. Это очень привлекательная теория, которая стала одной из самых влиятельных идей в морская экология."
Однако первоначальная формулировка KtW требовала широко распространенного технического упрощения. Сюэ отмечает: «Первоначальная модель KtW не учитывала пространственные вариации или какие-либо флуктуационные эффекты и была сформулирована в терминах непрерывных концентраций биомассы и детерминированных обыкновенных дифференциальных уравнений. Значение этого заключается в том, что она неправильно объясняет, что происходит, когда вирусы атакуют бактерии, например. В этой формулировке популяция бактерий в области пространства может становиться все меньше и меньше во время вирусного хищничества, но никогда не достигает нуля. на самом деле это должно быть целое число, такое как ноль, один, два и т. д. Таким образом, теория недооценивает то, что происходит во время вирусной атаки, и, в частности, не может отразить исчезновение».
Чтобы выйти за рамки упрощенной модели, Сюэ и Гольденфельд разработали стохастическую модель взаимодействия бактерий и вирусов, которая может описывать колебания популяции, чтобы увидеть, действительно ли сценарий KtW возник из более подробных расчетов, чем те, которые проводились ранее.
Их модель описывала результат столкновения бактерий и вирусов с использованием метода, аналогичного тому, который используется в статистической термодинамике для описания сталкивающихся атомов в газе. Точно так же, как можно вычислить свойства газов, такие как звуковые волны и тепловые эффекты, исходя из понимания атомных столкновений, Сюэ и Гольденфельд использовали методы статистической механики для расчета поведения популяций, исходя из понимания взаимодействия бактерий и вирусов.
Голденфельд объяснил, что сценарий KtW не был включен в их расчеты вручную. Их цель состояла в том, чтобы смоделировать взаимодействие бактерий и вирусов на индивидуальном уровне, чтобы увидеть, возникнет ли KtW. Однако, судя по их симуляциям, Сюэ и
Goldenfeld были удивлены, обнаружив, что виды в их модели даже не сосуществуют, не говоря уже о динамике KtW - они были доведены до исчезновения!
Сюэ отметил: «Нарушение исходной модели KtW при наличии стохастичности стало для нас неожиданностью. Стохастичность представляет собой нечто более близкое к случайности природы. Мы не ожидали, что эта очень разумная модель потерпит неудачу». Исследователи поняли, что есть еще один способ, которым экосистемы не находятся в устойчивом состоянии, отдельно от колебаний популяции, которые они пытались смоделировать..
Реальные экосистемы тоже развиваются. Действительно, когда они также включили в свою модель коэволюцию, модель резюмировала биоразнообразие, наблюдаемое в природе.
Голденфельд описывает: «В случае экосистемы в нашем примере с морской биологией происходит совместная эволюция каждого штамма бактерий и вируса, специфичного для хозяина, поскольку они конкурируют в том, что можно назвать гонкой вооружений. найти способы уклониться от атаки вирусов, вирусы эволюционируют, чтобы противостоять новым средствам защиты. В этой модели совместного развития KtW гонка вооружений обусловлена мутациями, возникающими как в бактериальных, так и в вирусных штаммах».
Сюэ добавляет, что эта идея поддерживается геномикой.«Исследователи, особенно в области морской микробной экологии, обнаружили, что различные бактериальные штаммы демонстрируют сильные различия в областях их геномов, которые, как считается, связаны с устойчивостью к фагам. Это наблюдение связывает разнообразие бактериальных геномов с хищничеством вирусов и согласуется с нашей совместной эволюцией Каркас KtW."
«Теперь проблемы вымирания можно избежать, - продолжает Сюэ. «Когда какой-то штамм вымирает, он или что-то близкое к нему все же может позже возродиться как мутант из другого штамма. Этот коэволюционный механизм действует в дополнение к пространственной неоднородности, что также способствует разнообразию: если конкретный штамм вымирает в определенной области пространства, возможно, что он может быть повторно засеян миграцией или диффузией этого штамма откуда-то еще. Таким образом, в длительных масштабах времени разнообразие системы сохраняется».
Голденфельд говорит, что было приятно видеть, как использование стохастического моделирования позволило команде включить уже известную коэволюционную гонку вооружений в простую модель, из которой возникла динамика «Убей победителя».
«Модель KtW - очень важная идея, - утверждает он, - но ее необходимо дополнить дополнительными факторами, такими как коэволюция и пространственная изменчивость. Наша работа демонстрирует разбивку простейших, но наиболее широко используемых версии теории и предлагает способ восстановить ее объяснительную силу. Впечатляет, что наша теоретическая модель не только захватила разнообразие, которое мы пытались объяснить, но также согласуется с, казалось бы, несвязанным потоком данных из области геномики, таким образом обеспечивая удовлетворительное повествование, которое работает от уровня экосистем до самого генома».
Голденфельд и Сюэ планируют продолжить расследование в этом направлении. Они предполагают, что разнообразие обычно связано с тем, насколько экосистема далека от равновесия. В будущей работе будет предпринята попытка количественно определить взаимосвязь между разнообразием и расстоянием от равновесия.
Результаты этого теоретического исследования в принципе поддаются экспериментальной проверке:
«Я очень взволнован возможностью того, что модель совместной эволюции KtW может быть проверена путем проведения экспериментов с совместно эволюционирующими бактериями и фагами», - комментирует Сюэ. «Короткое время размножения и высокая частота мутаций делают микробные системы хорошими кандидатами для тестирования моделей, в которых эволюционная и экологическая динамика происходят в одном временном масштабе».
Интерес исследователей к этой проблеме возник из, казалось бы, другой области науки. Гольденфельд объясняет, что эта работа имеет значение для открытых вопросов в астробиологии и для обнаружения жизни во внеземных мирах.
Разнообразие экосистем, особенно микробных, является ключевым фактором в понимании вероятности того, что жизнь может получить достаточную опору в планетарной среде не только для выживания, но и для того, чтобы ее можно было обнаружить. Благодаря новаторскому открытию благодаря миссии Кассини по исследованию глобальных океанов жидкой воды на Европе (спутник Юпитера) и Энцеладе (спутник Сатурна) экология морских микробов готова стать еще более активным компонентом астробиологии. Понимание фундаментальных механизмов, определяющих биоразнообразие - характерную черту наземных экосистем, - поможет нам предсказать возможность наблюдения за внеземной жизнью в мирах, которые окажутся в пределах досягаемости наших зондов в ближайшие десятилетия».