Лента TH Новости Глобальные вызовы



Гонка вооружений и смерть победителя

∴ 391

Став вершиной эволюции, определенный вид уничтожит остальных конкурентов. Но это не точно.

Aureus Imitation Bacterial Species Bacteria

В любой экосистеме Земли (кроме наиболее экстремальных) существует огромное разнообразие видов. Абсолютно естественно, что эти виды конкурируют за один и тот же конечный ресурс. В рамках теории конкурентного исключения, определенный вид, рано или поздно, превзойдет другие. Причем превзойдет путем уничтожения последних. В таком случае возникает жесткое ограничение биоразнообразие. А это совсем не то, что мы наблюдаем в природе. У современных теоретических моделей динамики популяции нет удовлетворительного объяснения «парадоксу разнообразия».

Исследователи Института генной биологии Карла Р. Вузе в Университете штата Иллинойс в Урбана-Шампейн пролили свет на этот фундаментальный вопрос в области экологии. Ученые улучшили популярный сценарий биоразнообразия, известный как «Убить победителя». Чи Ксью и Найджел Голденфельд, подошли к факту разнообразия с точки зрения неравновесной статистической механики.

Голденфельд и Ксью разработали стохастическую модель, которая учитывает множество факторов, наблюдаемых в экосистемах. Ученые учли конкуренцию между видов и одновременное паразитирование на конкурирующих видах. В качестве примера, ученые использовали бактерии и их вирусы, специфичные для хозяина. Исследователи показали, что, поскольку бактерии развивают защиту от вируса, популяция вирусов также развивается для борьбы с бактериями. Эта «гонка вооружений» приводит к разнообразию населению обоих представителей и к циклам бума и спада. Последнее происходит тогда, когда определенный вид доминирует в экосистеме, а затем гибнет. Этот феномен получил название «Убить победителя» (УП). Пока что, эта коэволюционная гонка вооружений достаточна для того, чтобы объяснить парадоксальность разнообразия.

Голденфельд и Ксью рассмотрели классический пример парадоксальности разнообразия в морской биологии, а именно – парадокс планктона. В наблюдаемых морских экосистемах многие виды планктона и бактериальные штаммы сосуществуют и имеют большое разнообразие.

Существует множество предварительных гипотез для решения парадокса. Мы заинтересованы в гипотезе «Убей победителя». Проблема парадигмы разнообразия заключается в предположении того, что есть некое устойчивое состояние. Проблема в том, что реальная экосистема никогда не находится в устойчивом состоянии, но подвергается колебаниям популяций из-за взаимодействия между хищниками и жертвами. Возьмем, к примеру, конкурирующие штаммы бактерий, каждый из которых является жертвой вируса, специфичного для хозяина. В этом случае, как только определенный вид бактерий начинает доминировать в экосистеме, вирус (или бактериофаг), который паразитирует преимущественно на этом хозяине, находит множество целей. В этот же момент он начинает распространяться, отбраковывая популяцию бактерий-хозяев. После этой вирусной атаки, уже другой бактериальный вид может стать доминантным на какое-то время. Ровно до тех пор, пока его популяция также не уменьшится из-за всплеска активности бактерий. Эти бактерии поддерживают сосуществование конкурирующих видов, предотвращая появление победителя. Из-за этого многие виды проходят через циклы вымирания и бурного размножения.Найджел Голденфельд, соавтор исследования.

Более того, в системе, где планктон конкурирует с бактериями за ресурс, возникает третья простейшая группа. Группа, которая охотится за всеми бактериальными штаммами. Эта же группа неселективно подавляет популяцию всего бактериального сообщества. Таким образом, оставляет пространство для появления видов планктона. И здесь, идея «Убей победителя» работает на двух уровнях: сосуществование бактерий и планктона в качестве первого слоя, и сосуществование бактериальных штаммов – в качестве второго слоя. Эта привлекательная теория и стала одной из самых влиятельных идей в морской экологии.Чи Ксью, соавтор исследования.

Однако первоначальная формулировка УП требовала широко используемого технического упрощения.

Оригинальная модель УП не учитывала пространственных изменений или каких-либо флуктуационных эффектов. Она была сформулирована в с учетом непрерывной концентрации биомассы и детерминированных дифференциальных уравнений. Из-за этого, она неправильно учитывает массу факторов. Например, что происходит, когда вирусы атакуют бактерии. В классической формулировке популяция бактерий в области пространства может становиться все меньше и меньше, но никогда не достигает нуля. В некотором смысле теория позволяет количеству бактерий быть фракцией, когда в действительности это должно быть целое число, такое как ноль, один, два и т. д. Таким образом, теория недооценивает процессы, что происходят во время вирусной атаки. В частности, теория не может предугадать исчезновение вида.Чи Ксью, соавтор исследования.

Чтобы выйти за рамки упрощенной модели, Ксью и Голденфельд разработали стохастическую модель взаимодействий бактерий и вирусов. Модель может описать колебания численности популяции. Это проверяет сценарий УП на точность и соответствие реалиям.

Полученная модель описала результаты столкновения бактерий с вирусом, используя метод из статистической термодинамики для описания сталкивающихся атомов в газе. В термодинамике так можно вычислить свойства газов из понимания атомных столкновений. Ксью и Голденфельд использовали методы статистической механики для вычисления поведения популяций от понимания контактов бактерий и вирусов.

Голденфельд объяснил, что сценарий УП не был внесен в их расчеты вручную. Их целью было моделирование взаимодействия бактерий и вирусов на индивидуальном уровне, чтобы узнать, возник ли сам процесс УП.

Как оказалось, теория потерпела крах. Вид был моментально уничтожен. Исследователи поняли, что существует еще один способ, в котором экосистемы находятся не в устойчивом состоянии, отдельно от колебаний численности населения, которые они пытались моделировать.

Ученые не учли, что реальные экосистемы развиваются при конкуренции. Действительно, когда ученые включили коэволюцию в свою модель, модель повторила биоразнообразие, наблюдаемое в природе.

В случае морской, биологической экосистемы происходит коэволюция каждого бактериального штамма и вируса, специфичного для хозяина. Это происходит по мере конкуренции видов, что также можно описать как гонка вооружений. Поскольку бактерии находят способы уклониться от атак вирусов, вирусы развиваются, чтобы противостоять новой защите. В этой коэволюционной УП-модели гонка вооружений обусловлена мутациями, которые возникают как у бактериальных, так и вирусных штаммов.Найджел Голденфельд, соавтор исследования.

Исследователи, особенно в области морской микробной экологии, обнаружили, что различные штаммы бактерий крайне отличаются в генетическом плане. Это обуславливает устойчивость последних к разнообразным фагам. Наблюдение связывает разнообразие бактериальных геномов с активными вирусами и согласуется с нашей теорией УП. Это означает, что проблему исчезновения видов можно решить. Когда поколение вымирает, его представитель все еще может появиться позже, как мутант другого штамма. Этот коэволюционный механизм действует в дополнение к пространственной гетерогенности, что также способствует многообразию. Если определенный штамм вымирает в какой-то конкретной области пространства, пространство может быть заселено схожим штаммом, занесенным из другого места. Таким образом, при длительном масштабе времени сохраняется разнообразие системы.Чи Ксью, соавтор исследования.

Голденфельд говорит, что было приятно видеть, как использование стохастического моделирования позволило команде включить уже известную коэволюционную гонку вооружений в рамках простой модели, из которой возникла динамика УП.

Модель УП является глубоко важной идеей. Но ее необходимо дополнять факторами, такими как коэволюция и пространственное изменение. Наша работа демонстрирует прорыв самой простой, но наиболее широко используемой версии теории. Удивительно, что наша теоретическая модель не только захватила многообразие, которое мы пытались объяснить, но также согласуется с кажущейся несвязной нитью данных из области генетики, тем самым обеспечивая удовлетворительное объяснение, которое работает от уровня экосистем вплоть до самого генома.Найджел Голденфельд, соавтор исследования.

Голденфельд и Ксью планируют продолжить исследования. Они предполагают, что разнообразие связано с тем, как долго экосистема находится в равновесии. Будущая работа будет пытаться количественно определить взаимосвязь между разнообразием и нахождением в равновесии.

Результаты этого теоретического исследования проверяются в экспериментах.

Меня больше всего волнует возможность того, что коэволюционная модель УП может быть протестирована путем проведения экспериментов с бактериями и фагами. Короткое время воспроизведения и высокая частота мутаций делают микробные системы хорошим кандидатом для тестирования моделей, в которых эволюционная и экологическая динамика происходят в одно и то же время.Чи Ксью, соавтор исследования.

Интерес исследователей к этой проблеме возник из, казалось бы, другой области науки. Голденфельд объясняет, что эта работа имеет последствия для открытых вопросов в астробиологии и для обнаружения жизни во внеземных мирах.

Разнообразие экосистем, особенно микробных, является ключевым фактором в понимании вероятности не только образования жизни на планете, но и её гибели. После того, как зонд Кассини обнаружил океан на Энцеладе, морская микробная экология готова стать еще более активной составляющей астробиологии.

Понимание основополагающих механизмов, обеспечивающих биоразнообразие, поможет нам предсказать наличие неземной жизни в наблюдаемых мирах, которые будут в пределах досягаемости наших зондов в ближайшие десятилетия.

Филипп Дончев