Коэволюция, которая происходит, когда виды взаимодействуют и адаптируются друг к другу, часто изучается в контексте парных взаимодействий между взаимовыгодными симбиотическими партнерами. Но у многих видов есть мутуалистические взаимодействия с несколькими партнерами, что приводит к сложным сетям взаимодействующих видов.
В статье, опубликованной 18 октября в журнале Nature, группа экологов и биологов-эволюционистов из пяти университетов попыталась понять, как виды коэволюционируют в больших сетях мутуалистических видов. Исследование дало неожиданные результаты относительно важности прямых и косвенных эффектов в таких сетях.
«Когда парные взаимодействия встроены в более крупную сеть взаимодействий, что происходит, когда эффекты распространяются по сети? Это действительно сложная проблема, и не только в биологии», - сказал соавтор Джон Томпсон. заслуженный профессор экологии и эволюционной биологии Калифорнийского университета в Санта-Крус.
Сила Интернета и сетей знакома в наш век Интернета. Интернет и его пользователи образуют сети, как дороги и автомобили, предприятия и города, а также нейроны в наших телах. Миллионы видов на Земле также образуют сети, поскольку виды охотятся друг на друга, паразитируют друг на друге, конкурируют за пищу и образуют взаимовыгодные ассоциации.
Естественный отбор отдает предпочтение хищникам, которые лучше ловят добычу, жертвам с лучшей защитой и особям, которые лучше конкурируют с другими видами. Среди мутуалистических видов естественный отбор отдает предпочтение, например, растениям, которые лучше привлекают насекомых-опылителей, а также посещающих цветы насекомых, которые лучше извлекают из цветов пыльцу и нектар.
Описание полного шаблона соединений в этих сетях - непростая задача. В новом исследовании авторы начали с набора из 75 сетей взаимодействующих видов, которые ранее были описаны другими исследователями в широком диапазоне наземных и морских сред. В эти сети входили, например, растения и опылители, растения и плодоядные птицы и млекопитающие, анемоны и рыбы-анемоны.
Каждая сеть имеет, с одной стороны, виды, которые взаимодействуют только с одним другим видом, а с другой стороны, виды, которые взаимодействуют со многими другими видами. При изображении в виде сети каждый вид является узлом, а каждое взаимодействие между видами представляет собой линию между двумя узлами. Таким образом, каждая линия представляет собой прямое взаимодействие между двумя видами.
Используя эти сети в качестве отправной точки, авторы разработали математическую модель, которая позволила им впервые исследовать, как совместная эволюция может формировать черты видов в сложных сетях многих взаимодействующих видов. Они хотели понять, как коэволюция формирует виды, взаимодействующие как прямо, так и косвенно. Если два вида взаимодействуют и совместно развиваются друг с другом, то их совместная эволюция, в свою очередь, может косвенно повлиять на будущую эволюцию других видов в сети. Авторы изучили относительное влияние прямой и косвенной коэволюции на эволюцию признаков в сетях различной формы.
Их анализ показал два противоречивых результата. Во-первых, чем сильнее значение коэволюционного отбора между партнерами, тем больше значение косвенных воздействий на общую эволюцию во всей сети. Во-вторых, при мутуализме с участием нескольких партнеров наиболее специализированные виды - виды с наименьшим количеством прямых партнеров - в большей степени подвержены влиянию косвенных эффектов, чем их непосредственные партнеры.
Эти два результата вместе с другими результатами, изложенными в статье, имеют много значений для понимания эволюции и коэволюции в сетях взаимодействующих видов. Среди наиболее важных два вывода, которые связывают эволюцию, совместную эволюцию и скорость изменения окружающей среды.
При медленных изменениях окружающей среды косвенное влияние видов на эволюцию других видов может способствовать сохранению мутуалистических взаимодействий в течение длительных периодов времени. Напротив, быстрое изменение окружающей среды может замедлить общую скорость эволюции, обусловленную прямым взаимодействием внутри крупных сетей, что делает каждый вид более уязвимым перед исчезновением. Таким образом, при быстром изменении окружающей среды среда может меняться быстрее, чем виды могут адаптироваться в больших мутуалистических сетях.
Косвенные эффекты служат для буферизации системы при медленных изменениях окружающей среды, поддерживая ее стабильность. Однако при тех быстрых изменениях окружающей среды, которые мы наблюдаем сейчас, этот эффект буферизации может фактически помешать видам достаточно быстро адаптироваться, - сказал Томпсон.
Проблема прямых и косвенных эффектов внутри сетей не уникальна для биологии. Как изучать косвенные эффекты в сетях беспокоили ученых в области физики, инженерии, компьютерных наук и других дисциплин. Структура моделирования, разработанная авторами, применима ко многим типам сетей.