Камень – ножницы – эволюция: Равно уважаемые стратегии
Обычно естественный отбор представляется чем-то совершенно однозначным. Например, два вида соперничают за одну и ту же экологическую нишу и (или) источник пищи. Тот из них, который окажется лучше приспособленным к данным условиям, вытеснит соперника и в конце концов приведет его к вымиранию. Но эта картина слишком схематична, и не может объяснить, как в таких обильных системах, как влажные тропические леса, многие тысячи видов занимают одну и ту же нишу, благополучно сосуществуя вместе.
Решение этой загадки подсказала ученым из группы Стефано Аллесино (Stefano Allesina) известная игра «Камень — ножницы — бумага»: математическое моделирование игрового процесса открывает возможности для теоретически бесконечного развития биологического разнообразия. Сам Аллесино поясняет: «Если вы играете вдвоем, один неминуемо и быстро проиграет. Но если игра ведется между тремя, а тем более — множеством участников, они вполне могут "сосуществовать" друг с другом бесконечно долгое время».
«Камень — ножницы — бумага» — пример нетранзитивной игры, в которой ни участников, ни принимаемые ими решения невозможно выстроить по шкале от наихудшего к наилучшему. Если брать их попарно, худший и лучший — победитель и побежденный — будет всегда: камень разобьет ножницы, ножницы разрежут бумагу, бумага завернет камень. Но если в соревновании участвуют все три стратегии одновременно, ни одна из них не будет стопроцентным победителем.
Подобные отношения уже использовались экологами для моделирования взаимоотношений небольших групп из трех живущих совместно видов бактерий и ящериц. Но на более сложном примере, с участием больших количеств видов, расчеты еще не проводились. Усложнение модели с ростом числа участников нарастает очень быстро: надо учитывать не только «камень», «ножницы» и «бумагу», но и вносить новые стратегии, уникальные для каждого вида. Представьте себе это, как расширенные версии той же игры, с использованием «колодца», «отвертки»
«До сих пор эти варианты никто не рассматривал. Что будет, если вместо трех видов в игре участвуют, скажем, четыре тысячи? — говорит Стефано Аллесино. — Надо построить математическую модель, в которой можно было бы рассмотреть практически любое число видов». Так и поступил ученый вместе со своими коллегами, в которых то или иное количество видов с разным успехом состязается за те или иные объемы ресурсов.
К примеру, разные виды деревьев соревнуются за четыре типа ресурсов — за источники азота, фосфора, за свет в воду. «Прогнав» такую систему через свою модель, ученые показали, что с ростом числа различных ресурсов видовое разнообразие может оставаться огромным: слабейшие «игроки» быстро выходят из состязания, но между множеством оставшихся образуется стабильный баланс. «Это показывает, что если виды соревнуются за множество различных ресурсов, и если победа определяется успешностью в освоении ресурса, то между ними образуется сложная сеть взаимосвязей, позволяющая огромному количеству видов сосуществовать, используя различные стратегии», — комментируют авторы.
В некоторых случаях, как показала их работа, преимущество вида в использовании одного ресурса может идти в паре недостаточной эффективности работы с другим. В любом случае, по словам авторов, количество видов в конце концов стабилизируется примерно на половине их исходного количества. Независимо от того, сколько их было изначально. «Фактически, не существует предела "насыщения", — говорит Аллесина, — Число видов теоретически может быть бесконечным».
Как ни удивительно, но модель доказала свою реалистичность в ходе тестов. Введя в нее параметры реальных экосистем, полученные в ходе полевых исследований данные о населении тропических лесов и беспозвоночных моря, ученые получили результаты, отлично согласующиеся с действительностью. Они показали также, что их модель хорошо отражает реальную динамику различных экосистем.
Интересно, что эта модель предсказывает и драматические последствия, которые может вызвать в экосистеме исчезновение всего лишь одного из участников «игры», в которой установился сложный и тонкий баланс. «Совместное существование может зависеть от редких видов, нередко находящихся на грани исчезновения. Если на такой вид замыкается ряд отношений, его вымирание приведет к коллапсу всей системы, — пишут авторы. — Представьте, что вы играете в "Камень — ножницы — бумагу", но камень использовать нельзя, а дозволены лишь стратегии "бумага" и "ножницы". Очень быстро в игре останутся одни только "ножницы"".
Читайте также о том, как в исследовании развития жизни помогают неживые организмы: «Эволюция роботов».
По пресс-релизу Eurekalert / The University of Chicago Medical Center