Почему так много видов? Хаос – важный фактор биоразнообразия

Нелинейная динамика одновидовых систем. (A) Схематическое резюме настоящего понимания изменений уровней экспрессии циклинов эукариот на протяжении клеточного цикла. Циклинзависимые киназы (CDK) стимулируют развитие в течение клеточного цикла и положительно регулируются циклинами и отрицательно регулируются ингибиторами CDK (p15, p16, p18, p19, p21, p27, p57). Все кривые циклина демонстрируют нелинейное поведение. (B – D) Экспериментальные результаты динамики численности в безбактериальных хемостатных системах (хорошо контролируемые проточные системы) с жгутиковыми страменопиями P. malhamensis (степени разбавления: 0,2 дня).⁻¹ [B]0,4 д⁻¹ [C]и 0,2 д⁻¹ [D]). (E) Экспериментальные результаты динамики численности в безбактериальных хемостатах с жгутиковым страменопилом C. danica (степень разбавления: 0,2 сут.⁻¹). (F и G) Литературные данные (15) о ненарушенной динамике численности планктонной диатомовой водоросли Synedra sp. (F) и F. crotonensis (G). Приведены показатели Ляпунова, когда их можно было оценить. (F) Адаптировано из исх. 15. (G) Адаптировано из исх. 13. (H–J) Реконструкция с временной задержкой наборов данных в B, E и F соответственно (соответственно выделены цветом). Численность дана в особях (экз.) на мл. Кредит: Труды Национальной академии наук (2022). DOI: 10.1073/pnas.2209601119

Ученые Кёльнского и Оснабрюкского университетов впервые продемонстрировали в биологических системах с одним видом, что при абсолютно постоянных внешних условиях может возникать хаотическая непредсказуемая динамика. Такая динамика, например колебания плотности популяции, происходит даже без взаимодействия с окружающей средой или другими видами.

Это может объяснить, почему на нашей планете возникло такое огромное разнообразие видов. Если, вопреки более ранним предположениям, разные виды и эволюционные линии сами по себе подвержены нерегулярной хаотической динамике, они никогда не сталкиваются друг с другом одновременно с одним и тем же числом особей. Поскольку прямая конкуренция между видами, таким образом, становится редкостью, они могут сосуществовать и развиваться в течение гораздо более длительных периодов времени. Текущее исследование появилось в Труды Национальной академии наук (ПНАС).

Биоразнообразие относится к разнообразию жизни на всех уровнях, от генов до целых экосистем. Он охватывает эволюционные, экологические и культурные процессы. Речь идет не только о видах, которые мы считаем редкими, находящимися под угрозой исчезновения, но и обо всех живых существах — от людей до организмов, о которых мы мало знаем, таких как микроорганизмы, грибы и мелкие беспозвоночные.

Биоразнообразие является неотъемлемой частью нашей жизни. Помимо поддержания стабильности нашей собственной среды обитания, она также способствует удовлетворению многих основных потребностей человека, в том числе в качестве пищи, служит поставщиком энергии или основой для лекарственных средств. Кроме того, биоразнообразие важно для опыления и распространения семян, а также для борьбы с сельскохозяйственными вредителями.

Высокое биоразнообразие является необходимым условием регулирования климата. Циклы питательных веществ и очистка питьевой воды и сточных вод также требуют большого разнообразия организмов. В настоящее время человечество уничтожает биоразнообразие угрожающими темпами. Четверть всех видов считаются исчезающими.

В этом исследовании, в котором участвовала исследовательская группа профессора доктора Хартмута Арндта из Института зоологии Кельнского университета, изучались механизмы, которые привели к разнообразию видов на нашей планете, и то, что нам необходимо учитывать, чтобы эти механизмы продолжали работать. . Арндт и его команда уже много лет изучают динамические процессы сосуществования видов как основу эволюционных процессов в модельных организмах.

Используя лабораторные эксперименты и модельные данные, ученые впервые продемонстрировали, что неравномерная динамика численности особей в популяции может существенно влиять на сосуществование видов даже на уровне одного типа клеток без внешних воздействий. Важность колебаний плотности населения и детерминированного хаоса — кажущегося хаотичным поведения, даже несмотря на то, что основные условия кажутся предсказуемыми — обсуждалась в течение нескольких десятилетий как важный фактор видового разнообразия в естественных биологических системах.

Два доктора наук, Йоханнес Вернер и Тобиас Питч из команды Арндта, теперь показали, что, вопреки ожиданиям, эволюция систем только с одним видом в непрерывном потоке питательной среды демонстрирует динамику, которая не является прямолинейной, даже демонстрируя черты детерминированного хаоса. .

То есть непредсказуемые колебания численности особей происходят даже при вполне постоянных условиях и без взаимодействия между разными видами или флуктуаций условий среды. Эти данные были дополнены исследованием моделирования, проведенным с теоретиком Франком Хилкером из Оснабрюкского университета. «Довольно простая и общая модель, которую мы разработали для анализа цикла клеточного деления, демонстрирует замечательный диапазон динамического поведения», — говорит Йоханнес Вернер, первый автор исследования.

Наблюдаемый феномен имеет фундаментальные последствия для понимания эволюционных процессов, поскольку потенциальное сосуществование конкурирующих видов или клеточных линий с меняющейся численностью является важной основой высокого биоразнообразия на Земле.

«Допущение этих колебаний необходимо для защиты биоразнообразия и его функций. Природные заповедники, например, должны быть достаточно большими, чтобы естественные взлеты и падения численности особей вида не приводили к полному исчезновению. обеспечить выживание вида даже в экстремальных погодных условиях», — пояснил Хартмут Арндт.