Evolusi Menyelamatkan Hewan dari Bunuh Pemenang Bencana

Simulator komputer menemukan bukti bahwa kombinasi kompetisi, predasi, dan evolusi harus mendorong ekosistem ke keanekaragaman spesies di bagian mana pun di alam semesta.

Pemerhati lingkungan telah lama merenungkan bagaimana berbagai spesies plankton bersaing untuk mendapatkan sumber daya yang sama di ekosistem laut

Pada pertemuan American Society of Naturalists pada tahun 1960, ahli ekologi Inggris terkenal J. Evelyn Hutchinson menggambarkan " paradoks plankton ." Jika Anda melihat termos air laut, itu akan diisi dengan berbagai perwakilan plankton, yang bersaing untuk unsur-unsur vital dan nutrisi yang sama. Pada saat yang sama, seleksi alam mengklaim bahwa seiring waktu satu relung ekologis harus menempati satu spesies - konsep ini dikenal sebagai " prinsip pengecualian kompetitif ." Apa yang berlaku untuk plankton berlaku untuk banyak protozoa, tanaman, burung, ikan, dan organisme lain. Bagaimana bisa ada begitu banyak spesies yang bersaing dalam ekosistem dalam koeksistensi yang stabil?

Sejak saat itu, para ahli ekologi merenungkan paradoks yang menjengkelkan ini, tetapi biasanya tenang, mengedepankan hipotesis " bunuh pemenang " (KTW) sebagai solusi. Ini didasarkan pada hubungan predator-mangsa yang ada di ekosistem antara spesies tertentu. Ketika satu spesies mulai menekan pesaing, pertumbuhan populasinya memungkinkan predator memakannya untuk berkembang. Predator pada akhirnya mengurangi jumlah korban (karenanya "membunuh pemenang"). Kombinasi kompetisi dan predasi memungkinkan beberapa populasi spesies yang bertikai hidup berdampingan dalam keseimbangan. Hipotesis UP telah menjadi penjelasan yang nyaman untuk keanekaragaman hayati bagi banyak ahli ekologi.


Nigel Goldenfeld dan Chi Sue dari Institut Astrobiologi dan Biologi Universal NASA dan Institut Genomik Biologis Karla Woese

Ketika Nigel Goldenfeld, direktur Institut Astrobiologi dan Universal Biologi NASA, dan Chi Sue, mahasiswa pascasarjana di laboratoriumnya di Institute of Biological Genomics. Karl Woese, mulai mempelajari hipotesis UP secara lebih rinci pada tahun 2015, mereka tidak akan membantahnya. Mereka mempelajari dengan tepat sifat-sifat kehidupan dan ekosistem yang dapat ditemukan di mana saja di luar angkasa. Keanekaragaman hayati tampaknya menjadi kandidat yang baik untuk properti semacam itu. "Jika Anda melihat berbagai ekosistem Bumi yang terisolasi, Anda dapat menemukan keanekaragaman hayati di mana-mana," kata Sue. Mereka tertarik pada apa yang dapat diciptakan dan dipelihara oleh keanekaragaman hayati ini, dan apakah faktor-faktor serupa akan bekerja di planet lain.

Tetapi mereka menemukan perhitungan tidak realistis yang biasanya digunakan dalam model untuk mengkonfirmasi hipotesis UP. “Mereka menggambarkan populasi seolah-olah individu individu tidak ada. Seolah kami menggambarkan cairan tanpa mempertimbangkan atom-atomnya, ”Goldenfeld menjelaskan dalam sebuah surat. Karena model-model ini memungkinkan populasi pulih bahkan setelah jumlah individu turun hingga beberapa persen, mereka meremehkan kemungkinan kepunahan. Goldenfeld dan Sue menyebut masalah ini sebagai tidak adanya "kebisingan stokastik," karena perhitungan tidak mencerminkan gangguan urutan acak matematis yang dipaksakan oleh kendala dunia nyata.

Sue dan Goldenfeld memutuskan untuk membuat kembali model, memberi mereka realisme. "Kami tidak berharap hipotesis UP berhenti bekerja," kata Sue. "Kami hanya ingin melihat apakah ada perubahan dengan penambahan suara."

Hasil yang baru-baru ini mereka gambarkan dalam jurnal Physical Review Letters ternyata menjadi bencana. Jumlah keanekaragaman hayati dan koeksistensi spesies tidak hanya jatuh - mereka telah menghilang. "Faktanya, semua spesies telah punah," kata Sue. Dalam tes berulang, populasi korban yang berfluktuasi terus-menerus turun menjadi nol, dan kemudian predator mati karena kekurangan makanan. Kadang-kadang sistem terdegradasi ke sepasang spesies, mangsa dan predator, yang ada selama beberapa waktu, tetapi bahkan opsi ini tidak selalu stabil. Kaya akan diversifikasi yang melekat di alam, tidak ada di mana pun.

Tetapi Sue dan Goldenfeld mengambil langkah lain, memasukkan sesuatu yang tidak diketahui oleh simulasi sebelumnya: evolusi. Mereka membiarkan korban meningkatkan kemampuan mereka untuk menghindari predator, dan predator menjadi lebih baik dalam menangkap mangsa.

Akibatnya, perlombaan senjata terbuka ketika kemampuan korban dan pemangsa yang meningkat berkembang secara paralel, dan itu mengubah segalanya. Kompetisi ini menambah variasi spesies ke dalam sistem, dan efek UE mencegah kemenangan salah satu spesies. Keanekaragaman hayati telah mekar.

Sue dan Goldenfeld melihat bukti dinamika co-evolusi di alam dalam genomik. "Jika Anda mempelajari bakteri dan menemukan area genom yang berkembang lebih cepat, maka ternyata area ini terkait dengan resistensi terhadap virus," kata Sue. Seperti yang ditunjukkan model ko-evolusi UP mereka, efek seleksi alam di bidang ketahanan terhadap virus memperkuat motivasi lain - misalnya, lebih baik bersaing dengan bakteri lain.

Namun demikian, ini bukan bukti yang sepenuhnya meyakinkan, dan para peneliti berencana untuk lebih teliti mempelajari generalisasi kesimpulan mereka. Mereka ingin melihat apa yang terjadi jika pemangsa kurang pilih-pilih tentang korban. Topik lain untuk dipikirkan, kata Goldenfeld, adalah bahwa selain membunuh bakteri dan sel-sel lain, virus terkadang membawa gen di antara mereka. Peran ganda "predator dan sopir taksi untuk gen," katanya, "dapat memiliki konsekuensi serius bagi evolusi dan stabilitas ekosistem."

Juga tidak jelas apakah model ko-evolusi UP sama-sama berlaku untuk semua jenis kehidupan. “Pada prinsipnya, interaksi predator dan korban tidak terbatas pada mikroorganisme. Ia pergi ke mana-mana, turun ke kelinci dan serigala, ”kata Sue. Tetapi dia juga mencatat bahwa model mereka menunjukkan bahwa perubahan evolusioner (mutasi) dan perubahan lingkungan (kelahiran dan kematian organisme) terjadi pada timeline yang sama dan dengan frekuensi yang kira-kira sama. "Untuk spesies seperti hares dan rubah, ini tidak benar, tetapi dalam mikroorganisme sering ditemukan."

Menurut Jed Furman, seorang profesor ilmu biologi di University of Southern California, pemodelan biasanya merupakan pendekatan yang bermanfaat, tetapi harus ditangani dengan hati-hati. "Beberapa asumsi dan aspek secara langsung berlaku untuk sistem alami yang kompleks, dan beberapa tidak." Karena bahkan komunitas mikroba menggunakan strategi yang berbeda untuk bertahan hidup, katanya, "model dapat diterapkan ke beberapa bagian komunitas lebih dari yang lain."

Tetapi jika model menunjukkan penerapan yang luas, maka, menurut Goldenfeld, "itu akan menunjukkan bahwa ada pendekatan yang sangat umum untuk memperoleh populasi yang beragam dalam ekosistem, dan bahwa monokultur adalah pengecualian, bukan aturan." Dapat diharapkan bahwa evolusi kehidupan, bahkan di planet dan bulan lain, akan mengarah pada keanekaragaman ekosistem yang kompleks. Dia mengatakan bahwa salah satu area masa depan dari pekerjaan laboratoriumnya adalah studi tentang "munculnya metabolisme sosial" dari berbagai organisme, yang masing-masing memproses bahan di lingkungannya sendiri dengan caranya sendiri.


Satelit Saturnus terbesar keenam, Enceladus, dianggap sebagai salah satu tempat paling menjanjikan di tata surya tempat kehidupan makhluk luar angkasa bisa berkembang. Aliran air memecah retakan di permukaan esnya, menunjukkan keberadaan samudra air yang luas di bawah es.

Gagasan ini mungkin berguna untuk penjelajahan luar angkasa ketika kita mengirim penyelidikan untuk mencari kehidupan di lautan di bawah es yang menutupi permukaan bulan Jupiter, Eropa, dan bulan Saturnus, Enceladus. Jika ada kehidupan di sana, mereka harus melihat tanda-tanda biokimia dari seluruh ekosistem, bukan organisme individu.

Menurut Kevin Peter Hand, wakil manajer proyek di Jet Propulsion Laboratory NASA, instrumen yang dirancang untuk wahana yang melakukan perjalanan ke Mars, Eropa, Enceladus dan tempat perlindungan potensial lainnya untuk kehidupan sudah mencari tanda-tanda efek terkait ekosistem. Dia mengatakan bahwa konsep penyelidikan yang diusulkan untuk Eropa, di mana dia bekerja, dirancang khusus untuk "mengambil setidaknya sembilan pengukuran pelengkap yang berbeda yang tidak menanggapi spesies individu", misalnya, kompleksitas dan kiralitas organik senyawa dan keberadaannya dalam sampel struktur menyerupai seluler.

Tetapi jika para ahli astrobiologi mengatasi pertanyaan tentang keberadaan fundamental kehidupan di luar bumi dan dapat mulai mempelajari seberapa banyak dinamika ekosistem lain menyerupai bumi, maka pengetahuan tentang solusi paradoks plankton dapat memainkan peran yang menentukan.