تطور يحمي الحيوانات من قتل الكوارث الفائز

تجد أجهزة محاكاة الكمبيوتر دليلاً على أن الجمع بين المنافسة والافتراس والتطور يجب أن يدفع النظم البيئية إلى تنوع الأنواع في أي جزء من الكون.

لطالما كان علماء البيئة يفكرون في كيفية تنافس أنواع مختلفة من العوالق على الموارد نفسها في النظم البيئية البحرية

في اجتماع للجمعية الأمريكية لعلماء الطبيعة عام 1960 ، وصفت عالمة البيئة البريطانية الشهيرة ج. إيفلين هاتشينسون " مفارقة العوالق ". إذا نظرت إلى قارورة من مياه البحر ، فسيتم ملؤها بالعديد من ممثلي العوالق ، وتتنافس على نفس العناصر الحيوية والمغذيات. في الوقت نفسه ، يدعي الانتقاء الطبيعي أنه بمرور الوقت يجب أن تحتل مكانة بيئية واحدة نوعًا واحدًا - يُعرف هذا المفهوم باسم " مبدأ الاستبعاد التنافسي ". ما ينطبق على العوالق ينطبق على العديد من الأوليات والنباتات والطيور والأسماك والكائنات الحية الأخرى. كيف يمكن أن يوجد العديد من الأنواع المتنافسة في النظم البيئية في تعايش مستقر؟

منذ تلك اللحظة ، يفكر علماء البيئة في هذه المفارقة المزعجة ، ولكنهم عادة يهدئون ، ويطرحون الفرضية القائلة " اقتل الفائز " (KTW) كحل. وهو يقوم على العلاقة بين المفترس والفريسة الموجودة في النظام البيئي بين أنواع معينة. عندما يبدأ أحد الأنواع في الضغط على المنافسين ، فإن نمو تعدادها يسمح للحيوانات المفترسة التي تأكلها بالازدهار. يقلل المحتالون في نهاية المطاف من عدد الضحايا (ومن ثم "قتل الفائز"). يسمح الجمع بين المنافسة والافتراس للعديد من مجموعات الأنواع المتحاربة بالتعايش في التوازن. أصبحت فرضية UP تفسيرًا مناسبًا للتنوع البيولوجي للعديد من علماء البيئة.


نايجل جولدنفيلد وشي سو من معهد ناسا لعلم الأحياء الفلكية وعلم الأحياء العالمي ومعهد الجينوم البيولوجي Karla Woese

عندما كان نايجل جولدنفيلد ، مدير معهد ناسا لعلم الأحياء الفلكية وعلم الأحياء العالمي ، وشي سو ، طالب دراسات عليا في مختبره في معهد علم الجينوم البيولوجي. بدأ كارل Woese في دراسة فرضية UP بمزيد من التفصيل في عام 2015 ، لن يدحضوها. لقد درسوا بالضبط خصائص الحياة والنظم البيئية التي يمكن العثور عليها في كل مكان في الفضاء. يبدو أن التنوع البيولوجي مرشح جيد لمثل هذه الملكية. قال سو "إذا نظرت إلى مختلف النظم البيئية المعزولة على الأرض ، يمكنك العثور على التنوع البيولوجي في كل مكان". لقد كانوا مهتمين بما يمكن أن ينشئه هذا التنوع البيولوجي ويحافظ عليه ، وما إذا كانت عوامل مماثلة ستعمل على كواكب أخرى.

لكنهم وجدوا الحسابات غير الواقعية التي تم استخدامها بشكل شائع في النماذج لتأكيد فرضية UP. يصفون السكان كما لو أن الأفراد ليسوا موجودين. أوضح غولنفيلد في رسالة: "كما لو كنا نصف سائلاً دون النظر إلى الذرات". نظرًا لأن هذه النماذج سمحت للسكان بالتعافي حتى بعد انخفاض عدد الأفراد إلى نسبة قليلة ، فقد قللوا من احتمال الانقراض. وصف غولنفيلد وسو هذه المشكلة بغياب "الضجيج العشوائي" ، لأن الحسابات لا تعكس اضطرابات التسلسل العشوائي رياضياً التي تفرضها قيود العالم الحقيقي.

قررت سو وجولدنفيلد إعادة تصميم النماذج ، ومنحهما الواقعية. قال سو: "لم نتوقع أن تتوقف فرضية UP عن العمل". "أردنا فقط معرفة ما إذا كان هناك شيء يتغير مع إضافة الضوضاء."

تبين أن النتائج التي وصفوها مؤخرًا في مجلة Physical Review Letters كانت كارثية. إن الأرقام المتعلقة بالتنوع البيولوجي وتعايش الأنواع لم تنخفض فحسب - بل اختفت. قال سو: "في الواقع ، انقرضت جميع الأنواع". في الاختبارات المتكررة ، انخفض تذبذب أعداد الضحايا باستمرار إلى الصفر ، ثم ماتت الحيوانات المفترسة بسبب نقص الغذاء. في بعض الأحيان تدهور النظام إلى زوج واحد من الأنواع ، والفرائس والحيوانات المفترسة ، والتي كانت موجودة لبعض الوقت ، ولكن حتى هذه الخيارات لم تكن مستقرة دائمًا. غنية بالتنوع المتأصل في الطبيعة ، لم تكن في أي مكان.

لكن سو وجولنفيلد اتخذوا خطوة أخرى ، حيث أدرجوا شيئًا لم تُعرفه المحاكاة السابقة: التطور. سمحوا للضحايا بتحسين قدرتهم على التهرب من الحيوانات المفترسة ، والحيوانات المفترسة لتصبح أفضل في اصطياد الفريسة.

ونتيجة لذلك ، انطلق سباق التسلح عندما تطورت القدرات المتزايدة للضحايا والمفترسات بالتوازي ، وهذا غيّر كل شيء. أضافت هذه المنافسة مجموعة متنوعة من الأنواع إلى النظام ، وأدت آثار UE إلى منع انتصار أحد الأنواع. ازدهر التنوع البيولوجي.

يرى Sue و Goldenfeld دليلاً على ديناميات التطور المشترك في الطبيعة في علم الجينوم. قال سو: "إذا قمت بدراسة البكتيريا ووجدت مناطق من الجينوم تتطور بشكل أسرع ، فقد اتضح أن هذه المناطق مرتبطة بمقاومة الفيروسات". كما يشير نموذج UP الخاص بالتطور المشترك ، فإن آثار الانتقاء الطبيعي في منطقة مقاومة الفيروسات تعزز دافعًا آخر - على سبيل المثال ، من الأفضل التنافس مع البكتيريا الأخرى.

ومع ذلك ، فإن هذا ليس دليلاً مقنعًا تمامًا ، ويخطط الباحثون لإجراء دراسة شاملة لتعميم استنتاجاتهم. إنهم يريدون أن يروا ما يحدث إذا كانت الحيوانات المفترسة أقل إرضاءً للضحايا. يقول غولنفيلد أن موضوعًا آخر للفكر هو أنه بالإضافة إلى قتل البكتيريا والخلايا الأخرى ، تحمل الفيروسات أحيانًا جينات بينها. وقال إن هذا الدور المزدوج لـ "المفترس وسائق سيارة الأجرة للجينات" يمكن أن يكون له عواقب وخيمة على تطور واستقرار النظم البيئية.

من غير الواضح أيضًا ما إذا كان نموذج UP للتطور المشترك قابل للتطبيق على جميع أنواع الحياة. "من حيث المبدأ ، لا يقتصر تفاعل الحيوانات المفترسة والضحايا على الكائنات الحية الدقيقة. قال سو ، يذهب في كل مكان ، إلى الأرانب والثعالب. لكنها أشارت أيضًا إلى أن نموذجهم يشير إلى أن التغييرات التطورية (الطفرات) والتغيرات البيئية (ولادة وموت الكائنات الحية) تحدث في نفس الجدول الزمني وبتواتر متساوي تقريبًا. "بالنسبة لأنواع مثل الأرانب والثعالب ، هذا ليس صحيحًا ، ولكن في الكائنات الحية الدقيقة غالبًا ما يتم العثور عليه."

وفقًا لجيد فورمان ، أستاذ العلوم البيولوجية في جامعة جنوب كاليفورنيا ، فإن النمذجة عادة ما تكون نهجًا مفيدًا ، ولكن يجب التعامل معها بحذر. "بعض الافتراضات والجوانب تنطبق مباشرة على النظم الطبيعية المعقدة ، والبعض الآخر لا." وقال إنه بما أن المجتمعات الميكروبية تستخدم استراتيجيات مختلفة للبقاء ، "يمكن تطبيق النماذج على بعض أجزاء المجتمع أكثر من غيرها".

ولكن إذا أظهر النموذج قابلاً للتطبيق على نطاق واسع ، فوفقًا لـ Goldenfeld ، "سيظهر أن هناك نهجًا عامًا جدًا للحصول على مجموعات سكانية متنوعة في النظام البيئي ، وأن الثقافات الأحادية هي استثناء ، وليست قاعدة". من المتوقع أن يؤدي تطور الحياة ، حتى على الكواكب والأقمار الأخرى ، إلى تنوع النظم البيئية المعقدة. وقال إن أحد المجالات المستقبلية لعمل مختبره سيكون دراسة "ظهور الأيض الاجتماعي" من مجموعة متنوعة من الكائنات الحية ، كل منها يعالج مواده الخاصة في بيئة مشتركة.


يعتبر ساتل زحل ، إنسيلادوس ، سادس أكبر قمر صناعي ، واحدًا من أكثر الأماكن الواعدة في النظام الشمسي حيث يمكن أن تكون الحياة خارج الأرض قد تطورت. تكسر تيارات المياه الشقوق في سطحها الجليدي ، مما يشير إلى وجود محيط شاسع من الماء تحت الجليد.

يمكن أن تكون هذه الفكرة مفيدة لاستكشاف الفضاء عندما نرسل مجسات بحثًا عن الحياة في المحيطات تحت الجليد الذي يغطي سطح قمر المشتري وأوروبا وقمر زحل ، إنسيلادوس. إذا كانت هناك حياة هناك ، فسيتعين عليهم رؤية العلامات البيوكيميائية للنظم البيئية بأكملها ، وليس الكائنات الفردية.

وفقًا لكيفين بيتر هاند ، نائب مدير المشروع في مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا ، فإن الأدوات المصممة للتحقيقات التي تسافر إلى المريخ وأوروبا وإنسيلادوس وغيرها من الملاجئ المحتملة للحياة تبحث بالفعل عن علامات على النظم البيئية. وقال إن مفهوم المسبار المقترح لأوروبا ، الذي يعمل عليه ، مصمم خصيصًا "لاتخاذ ما لا يقل عن تسعة قياسات مختلفة ومكملة لا تستجيب للأنواع الفردية" ، على سبيل المثال ، تعقيد ومدى خصوصية العضوية المركبات والحضور في عينات من الهياكل تشبه الخلوية.

ولكن إذا تعامل علماء الفلك مع مسألة الوجود الأساسي للحياة خارج الأرض وكان بإمكانهم البدء في دراسة مدى تشابه ديناميكيات النظم البيئية الأخرى مع دينامية الأرض ، فإن معرفة حل مفارقة العوالق يمكن أن تلعب دورًا حاسمًا.