Evolution rettet Tiere vor Katastrophen der Kill Winner

Computersimulatoren finden Hinweise darauf, dass eine Kombination aus Konkurrenz, Raub und Evolution Ökosysteme zur Artenvielfalt in jedem Teil des Universums führen sollte.

Umweltschützer haben lange darüber nachgedacht, wie verschiedene Planktonarten in marinen Ökosystemen um dieselben Ressourcen konkurrieren

Bei einem Treffen der American Society of Naturalists im Jahr 1960 beschrieb die berühmte britische Ökologin J. Evelyn Hutchinson das " Plankton-Paradoxon ". Wenn Sie sich eine Flasche Meerwasser ansehen, wird sie mit verschiedenen Vertretern des Planktons gefüllt, die um dieselben lebenswichtigen Elemente und Nährstoffe konkurrieren. Gleichzeitig behauptet die natürliche Selektion, dass im Laufe der Zeit eine ökologische Nische eine Art besetzen sollte - dieses Konzept ist als " Prinzip des Wettbewerbsausschlusses " bekannt. Was für Plankton gilt, gilt für viele Protozoen, Pflanzen, Vögel, Fische und andere Organismen. Wie können so viele konkurrierende Arten in Ökosystemen in stabiler Koexistenz existieren?

Von diesem Moment an denken Umweltschützer über dieses nervige Paradoxon nach, beruhigen sich aber normalerweise, indem sie die KTW-Hypothese (Kill the Winner) als Lösung vorschlagen. Es basiert auf der Raubtier-Beute-Beziehung, die im Ökosystem zwischen bestimmten Arten besteht. Wenn eine Art beginnt, Konkurrenten auszutreiben, lässt das Wachstum ihrer Population Raubtiere, die sie fressen, gedeihen. Raubtiere reduzieren letztendlich die Anzahl der Opfer (daher der "Kill the Winner"). Die Kombination von Konkurrenz und Raub ermöglicht es mehreren Populationen kriegführender Arten, im Gleichgewicht nebeneinander zu existieren. Die UP-Hypothese ist für viele Ökologen zu einer bequemen Erklärung für die biologische Vielfalt geworden .


Nigel Goldenfeld und Chi Sue vom NASA-Institut für Astrobiologie und Universalbiologie und vom Institut für biologische Genomik Karla Woese

Als Nigel Goldenfeld, Direktor des NASA-Instituts für Astrobiologie und Universalbiologie, und Chi Sue, Doktorand in seinem Labor am Institut für biologische Genomik. Karl Woese begann 2015, die UP-Hypothese genauer zu untersuchen, sie wollten sie jedoch nicht widerlegen. Sie untersuchten genau, welche Eigenschaften von Leben und Ökosystemen überall im Weltraum zu finden sind. Die biologische Vielfalt schien ein guter Kandidat für eine solche Immobilie zu sein. "Wenn man sich die verschiedenen isolierten Ökosysteme der Erde ansieht, kann man überall Artenvielfalt finden", sagte Sue. Sie waren daran interessiert, was diese Artenvielfalt schaffen und erhalten könnte und ob ähnliche Faktoren auf anderen Planeten wirken würden.

Sie fanden jedoch die unrealistischen Berechnungen, die üblicherweise in Modellen verwendet wurden, um die UP-Hypothese zu bestätigen. „Sie beschreiben Populationen so, als ob einzelne Individuen nicht existieren würden. Es ist, als würden wir eine Flüssigkeit beschreiben, ohne die Atome zu berücksichtigen “, erklärte Goldenfeld in einem Brief. Da diese Modelle es den Populationen ermöglichten, sich zu erholen, selbst nachdem die Anzahl der Individuen auf einige Prozent gesunken war, unterschätzten sie die Wahrscheinlichkeit des Aussterbens. Goldenfeld und Sue nannten dieses Problem das Fehlen von „stochastischem Rauschen“, da die Berechnungen keine mathematisch zufälligen Sequenzstörungen widerspiegeln, die durch eine reale Einschränkung verursacht werden.

Sue und Goldenfeld beschlossen, die Modelle neu zu gestalten, um ihnen Realismus zu verleihen. "Wir hatten nicht erwartet, dass die UP-Hypothese nicht mehr funktioniert", sagte Sue. "Wir wollten nur sehen, ob sich durch das Hinzufügen von Lärm etwas ändert."

Die Ergebnisse, die sie kürzlich in der Zeitschrift Physical Review Letters beschrieben haben, erwiesen sich als katastrophal. Die Zahlen zur Artenvielfalt und zum Zusammenleben von Arten sind nicht nur gesunken - sie sind verschwunden. "In der Tat sind alle Arten ausgestorben", sagte Sue. In wiederholten Tests fiel die schwankende Population der Opfer ständig auf Null, und dann starben die Raubtiere aufgrund von Nahrungsmangel aus. Manchmal verschlechterte sich das System zu einem einzigen Paar von Arten, Beutetieren und Raubtieren, die es schon seit geraumer Zeit gab, aber selbst diese Optionen waren nicht immer stabil. Reich an Diversifikation in der Natur, war nirgendwo.

Aber Sue und Goldenfeld haben einen weiteren Schritt unternommen und etwas aufgenommen, das in früheren Simulationen nicht berücksichtigt wurde: Evolution. Sie ermöglichten es den Opfern, ihre Fähigkeit zu verbessern, Raubtieren auszuweichen, und Raubtieren, Beute besser zu fangen.

Infolgedessen entwickelte sich ein Wettrüsten, als sich die zunehmenden Fähigkeiten von Opfern und Raubtieren parallel entwickelten, und das änderte alles. Dieser Wettbewerb fügte dem System eine Vielzahl von Arten hinzu, und die Auswirkungen der UE verhinderten den Sieg einer der Arten. Die Artenvielfalt hat geblüht.

Sue und Goldenfeld sehen Hinweise auf die Dynamik der Koevolution in der Natur in der Genomik. "Wenn Sie die Bakterien untersuchen und Bereiche des Genoms finden, die sich schneller entwickeln, stellt sich heraus, dass diese Bereiche mit einer Resistenz gegen Viren verbunden sind", sagte Sue. Wie das UP-Modell der Koevolution zeigt, verstärken die Auswirkungen der natürlichen Selektion im Bereich der Resistenz gegen Viren eine weitere Motivation - zum Beispiel ist es besser, mit anderen Bakterien zu konkurrieren.

Dies ist jedoch kein vollständig überzeugender Beweis, und die Forscher planen, die Generalisierbarkeit ihrer Schlussfolgerungen eingehender zu untersuchen. Sie wollen sehen, was passiert, wenn die Raubtiere weniger wählerisch gegenüber den Opfern sind. Ein weiteres Thema zum Nachdenken, sagt Goldenfeld, ist, dass Viren nicht nur Bakterien und andere Zellen abtöten, sondern manchmal auch Gene zwischen sich tragen. Diese doppelte Rolle als "Raubtier und Taxifahrer für Gene" könne schwerwiegende Folgen für die Entwicklung und Stabilität von Ökosystemen haben.

Es ist auch unklar, ob das UP-Modell der Koevolution für alle Arten von Leben gleichermaßen anwendbar ist. „Grundsätzlich ist das Zusammenspiel von Raubtieren und Opfern nicht auf Mikroorganismen beschränkt. Es geht überall hin, bis hin zu Hasen und Füchsen “, sagte Sue. Sie merkte jedoch auch an, dass ihr Modell darauf hindeutet, dass evolutionäre Veränderungen (Mutationen) und Umweltveränderungen (Geburt und Tod von Organismen) auf derselben Zeitachse und mit ungefähr gleicher Häufigkeit auftreten. "Für Arten wie Hasen und Füchse ist dies nicht der Fall, aber in Mikroorganismen wird es häufig gefunden."

Laut Jed Furman, Professor für Biowissenschaften an der University of Southern California, ist Modellierung normalerweise ein nützlicher Ansatz, der jedoch mit Vorsicht behandelt werden muss. "Einige Annahmen und Aspekte gelten direkt für komplexe natürliche Systeme, andere nicht." Da selbst mikrobielle Gemeinschaften unterschiedliche Überlebensstrategien anwenden, sagte er: "Modelle können auf einige Teile der Gemeinschaft mehr angewendet werden als auf andere."

Wenn das Modell jedoch eine breite Anwendbarkeit aufweist, wird es laut Goldenfeld "zeigen, dass es sehr allgemeine Ansätze gibt, um verschiedene Populationen im Ökosystem zu erhalten, und dass Monokulturen eine Ausnahme und keine Regel sind." Es ist zu erwarten, dass die Entwicklung des Lebens auch auf anderen Planeten und Monden zu einer Vielfalt komplexer Ökosysteme führen wird. Er sagte, dass einer der zukünftigen Bereiche seiner Laborarbeit die Untersuchung der „Entstehung des sozialen Stoffwechsels“ aus einer Vielzahl von Organismen sein wird, von denen jeder Materialien in seiner eigenen Umgebung auf seine eigene Weise verarbeitet.


Der sechstgrößte Satellit des Saturn, Enceladus, gilt als einer der vielversprechendsten Orte im Sonnensystem, an denen sich außerirdisches Leben hätte entwickeln können. Wasserströme brechen durch Risse in der Eisoberfläche, was auf das Vorhandensein eines riesigen Ozeans von Wasser unter dem Eis hinweist.

Diese Idee kann sich als nützlich für die Erforschung des Weltraums erweisen, wenn wir Sonden auf der Suche nach Leben in den Ozeanen unter dem Eis senden, das die Oberfläche des Mondes von Jupiter in Europa und des Mondes von Saturn in Enceladus bedeckt. Wenn dort Leben ist, müssen sie die biochemischen Zeichen ganzer Ökosysteme sehen, nicht einzelner Organismen.

Laut Kevin Peter Hand, stellvertretender Projektmanager im Jet Propulsion Laboratory der NASA, suchen Instrumente für Sonden, die zum Mars, nach Europa, Enceladus und zu anderen potenziellen Schutzräumen für das Leben reisen, bereits nach Anzeichen von Ökosystemen. Er sagte, dass das vorgeschlagene Sondenkonzept für Europa, an dem er arbeitet, speziell darauf ausgelegt ist, „mindestens neun verschiedene, komplementäre Messungen durchzuführen, die nicht auf einzelne Arten reagieren“, zum Beispiel die Komplexität und Chiralität von Bio Verbindungen und das Vorhandensein von zellähnlichen Strukturen in den Proben.

Wenn sich Astrobiologen jedoch mit der Frage nach der fundamentalen Existenz außerirdischen Lebens auseinandersetzen und untersuchen können, inwieweit die Dynamik anderer Ökosysteme der der Erde ähnelt, kann die Kenntnis der Lösung des Planktonparadoxons eine entscheidende Rolle spielen.