Биологичната еволюция може да бъде задвижвана за неопределено време от екологичните взаимодействия на много разнообразни видове.
Един прост начин да си представим биологичната еволюция е да си представим пейзаж, където всяка точка на повърхността представлява различна комбинация от черти, които един организъм би могъл да притежава. Колкото по-висока е точката, толкова по-голяма е пригодността на организма - способността му да оцелява и да се размножава. В продължение на много поколения популациите преминават през този пейзаж на еволюционен успех (адаптивен ландшафт), достигат върхове и на теория стигат до покой.
Но доказателства от вкаменелостите и от лабораторни изследвания на микробната еволюция показват, че еволюцията не се успокоява; вместо това тя продължава без признаци на спиране [ 1 ].
Типичното обяснение за тази привидно безкрайна еволюция е така наречената хипотеза за Червената кралица, в която променящата се среда постоянно преоформя адаптивният ландшафт [ 2 ]. По-конкретно, след като един организъм се адаптира добре, той се превръща в основна цел за паразитите, принуждавайки го да се реадаптира в еволюционна надпревара във въоръжаването [ 3 ].
Но може ли нещо друго освен войната между гостоприемник и паразит да подхранва еволюцията завинаги?
Сега Адитя Махадеван (Aditya Mahadevan) и Даниел Фишър (Daniel Fisher) от Станфордския университет показват, че екологичните взаимодействия между десетки видове също могат да създадат постоянно променящата се среда, необходима за неопределено време за задвижване на еволюцията [ 4 ].
Еколозите са прекарали десетилетия в изучаване на това как взаимодействията между видовете оформят силно разнообразни екосистеми (фиг. 1 ), но до голяма степен са игнорирали еволюцията.
Тяхното обяснение изглежда разумно: Докато екологията функционира бързо, еволюцията е бавна. Въпреки това, за достатъчно дълъг период от време еволюцията е неизбежна [ 5 ]. Освен това, в микробните съобщества, високите нива на мутации и големите размери на популациите правят възможно наблюдението на еволюцията на съобществата в действие. Следователно всяка теория, описваща микробните екосистеми, трябва да отчита еволюцията.
И все пак, почти всеки опит за моделиране на еволюиращи екологични съобщества се сблъсква с един и същ проблем: Един идеализиран организъм, който максимизира всички компоненти на годността едновременно, наречен Дарвиново чудовище. Той така е еволюирал, че да е най-добър във всичко, убивайки разнообразието и разрушавайки съобществото [ 6 ]. Теоретиците заобикалят този резултат, налагайки метаболитни компромиси, като по същество заявяват, че нито един вид не може да е най-добър във всичко [ 7 ].
Но този подход изглежда като измама, защото компромисите в модели трябва да бъдат нелогично строги. Освен това, за математическо удобство, предишните модели приемат, че екологичните взаимодействия между видовете са реципрочни: Вид А влияе върху вид Б по абсолютно същия начин, по който Б влияе върху А. Когато обаче взаимодействията са реципрочни, еволюцията на съобществата в крайна сметка наподобява подвеждащ фиксиран еволюционен пейзаж. Еволюцията е бърза в началото, но в крайна сметка се забавя и спира, вместо да продължава безкрайно.
Махадеван и Фишър разрешават тази загадка, фокусирайки се върху един досега пренебрегван, но повсеместен аспект на екологичните взаимодействия: нереципрочността.
Тази характеристика се проявява, когато начинът, по който вид А влияе върху вид Б, се различава от начина, по който Б влияе върху А - например, когато два вида се конкурират за едно и също хранително вещество, но конкуренцията вреди на единия вид повече от другия.
В своята теоретична работа изследователите установяват, че нереципрочните взаимодействия карат силно разнообразните съобщества да се установят във фаза "Червена кралица", в която еволюцията продължава сякаш вечно, без да се забавя.
В тази фаза възникват нови мутанти, установяват се всъобществата и водят други видове до изчезване. Цялото съобщество непрекъснато се променя, но разнообразието се стабилизира, вместо да се губи. Констатацията, че нереципрочността може да генерира различни еволюционни явления, резонира с други открития във физиката през последните няколко години. По-специално, учените показват, че нереципрочните взаимодействия могат да предизвикат екзотични ефекти в системи, вариращи от механични метаматериали до невронни мрежи [ 8 , 9 ].
Причината подобни екологични взаимодействия да улесняват безкрайната еволюция е, че организмите не просто живеят във фиксирана външна среда – те самите активно я преоформят. Например, когато зебрите пасат треви, те изчерпват ресурсите и трансформират средата за всяко друго тревопасно животно. Такива колективни промени в околната среда движат повечето екологични взаимодействия. Те превръщат всяка екосистема в динамична система, където действията на един вид се разпространяват през цялото съобщество, като от своя страна засягат самия този вид. Тази динамична среда, оформена от съобщества от организми, е основата за това как еволюцията може да продължи вечно.
Махадеван и Фишър също допринасят за един дълго обсъждан въпрос в екологията и еволюцията: Дали съобществата , съставени от много съществуващи преди това видове (например тези, които се заселват отново в чревния микробиом след лечение с антибиотици), изглеждат различно от тези, които еволюират постепенно от няколко вида?
Повечето учени предполагат, че отговорът е "не". В края на краищата, еволюцията увеличава видовото разнообразие, така че двата подхода би трябвало да доведат до подобни екосистеми.
Изследователите показват, че това предположение е невярно: Има значение дали разнообразието идва отдолу нагоре, както при еволюцията, или отгоре надолу, както при екологичното сглобяване. В сравнение с еволюиралите съобщества, сглобените имат много различно разпределение на видовото изобилие – представяне на това колко често срещан или рядък е всеки вид. Това откритие е не само значимо, но и проверимо, защото еколозите могат да измерват такива разпределения.
Новата работа осигурява основата за обща екоеволюционна теория за разнообразието на съобществата – такава, която не изисква изкуствени компромиси за поддържане на разнообразието.
Теоретиците преследват тази цел от десетилетия и Махадеван и Фишър вече са направили първите стъпки.
Но остават основни въпроси. Забележително е, че изследователите са предположили, че мутантите имат малка прилика с родителите си – математически удобно, но биологично неприемливо условие.
Какво се случва, когато мутантите всъщност много приличат на родителите си, както е в природата?
Ще станат ли еволюиралите съобщества по-разнообразни, тъй като мутантите си изграждат нови екологични ниши, когато се сблъскат с повишена конкуренция? Или тези съобщества ще станат по-малко разнообразни, тъй като мутантите директно надминават родителите си?
Адаптивният ландшафт е метафоричен терен, който съпоставя възможните характеристики на организма с неговата годност за оцеляване и размножаване. Еволюцията може да се визуализира като пътешествие, което популацията предприема през този ландшафт, изкачвайки се към върхове. (Горе) Когато екосистемата съдържа само един вид, пътешествието на популацията не влияе на адаптивния ландшафт и еволюцията се забавя и в крайна сметка спира. (Долу) Махадеван и Фишър показват, че в многовидова екосистема пътешествието на популацията непрекъснато деформира ландшафта, подобно на ходенето по сняг [ 4 ]. Такава непрекъсната деформация пречи на еволюцията да спре. Кредит: Alan Stonebraker
Накрая, обяснявайки как разнообразието може да даде възможност за безкрайна еволюция, тази работа поставя под въпрос самата идея за адаптивния ландшафт, която е била централна за еволюционното мислене.
Изследването предполага, че всеки път, когато един вид се адаптира по-добре към средата си, той променя средата за другите в съобществото. Освен това, действията на другите влияят върху начина, по който този вид възприема средата.
По този начин видовете не се изкачват по фиксиран еволюционен ландшафт, а по нещо подобно на вълнообразен снежен пейзаж (фиг. 2 ). Всяка стъпка, която правят, деформира адаптивния ландшафт, сякаш ходят по сняг, и с течение на времето няма ясен връх, към който се насочват. Следователно еволюцията е безкрайно изследване в един постоянно променящ се адаптивен ландшафт.
Справка:
- B. H. Good et al., “The dynamics of molecular evolution over 60,000 generations,” Nature 551, 45 (2017).
- L. Van Valen, “The Red Queen,” Am. Nat. 111, 809 (1977).
- L. T. Morran et al., “Running with the Red Queen: Host-parasite coevolution selects for biparental sex,” Science 333, 216 (2011).
- A. Mahadevan and D. S. Fisher, “Continual evolution in nonreciprocal ecological models,” PRX Life 3, 033008 (2025).
- R. Lallensack, “How warp-speed evolution is transforming ecology,” Nature 554, 19 (2018).
- L. Fant, “Eco-evolutionary dynamics lead to functionally robust and redundant communities,” arXiv:10.1101/2021.04.02.438173.
- A. Posfai et al., “Metabolic trade-offs promote diversity in a model ecosystem,” Phys. Rev. Lett. 118, 028103 (2017).
- M. Brandenbourger et al., “Non-reciprocal robotic metamaterials,” Nat. Commun. 10, 4608 (2019).
- M. Fruchart et al., “Non-reciprocal phase transitions,” Nature 592, 363 (2021).
Източник: Ecology Enables Endless Evolution, Akshit Goyal, Physics
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Прост Човек
Стъклените бутилки съдържат 5 до 50 пъти повече микропластмаси от пластмасовите бутилки
dolivo
Най-старите "човешки" фосили в Япония, се оказаха нечовешки, твърди ново проучване
dolivo
Как „зеленото побутване“ стимулира устойчивите избори на хората
helper68
Натурални суперколайдери: Черните дупки могат да се използват ускорители на частици