Evolução salva animais de desastres vencedores

Os simuladores de computador encontram evidências de que uma combinação de competição, predação e evolução deve levar os ecossistemas à diversidade de espécies em qualquer parte do universo.

Os ambientalistas há muito ponderam como diferentes espécies de plâncton competem pelos mesmos recursos nos ecossistemas marinhos

Em uma reunião da Sociedade Americana de Naturalistas em 1960, a famosa ecologista britânica J. Evelyn Hutchinson descreveu o " paradoxo do plâncton ". Se você observar um frasco de água do mar, ele será preenchido com vários representantes de plâncton, competindo pelos mesmos elementos vitais e nutrientes. Ao mesmo tempo, a seleção natural alega que, com o tempo, um nicho ecológico deve ocupar uma espécie - esse conceito é conhecido como o " princípio da exclusão competitiva ". O que é verdade para o plâncton é verdade para muitos protozoários, plantas, pássaros, peixes e outros organismos. Como podem existir tantas espécies concorrentes nos ecossistemas em coexistência estável?

A partir desse momento, os ecologistas refletem sobre esse paradoxo irritante, mas geralmente se acalmam, apresentando a hipótese " matar o vencedor " (KTW) como uma solução. É baseado na relação predador-presa que existe no ecossistema entre certas espécies. Quando uma espécie começa a espremer os concorrentes, o crescimento de sua população permite que os predadores que a comem florescem. Os predadores finalmente reduzem o número de vítimas (daí o "matar o vencedor"). A combinação de competição e predação permite que várias populações de espécies em guerra coexistam em equilíbrio. A hipótese da UP tornou-se uma explicação conveniente para a biodiversidade para muitos ecologistas.


Nigel Goldenfeld e Chi Sue, do Instituto de Astrobiologia e Biologia Universal da NASA e do Instituto de Genômica Biológica Karla Woese

Quando Nigel Goldenfeld, diretor do Instituto de Astrobiologia e Biologia Universal da NASA, e Chi Sue, estudante de graduação em seu laboratório no Instituto de Genômica Biológica. Karl Woese, começou a estudar a hipótese da UP em mais detalhes em 2015, eles não a refutariam. Eles estudaram exatamente quais propriedades da vida e dos ecossistemas podem ser encontradas em todo lugar no espaço. A biodiversidade parecia ser uma boa candidata a essa propriedade. "Se você observar os vários ecossistemas isolados da Terra, poderá encontrar biodiversidade em todos os lugares", disse Sue. Eles estavam interessados ​​no que essa biodiversidade poderia criar e manter, e se fatores semelhantes funcionariam em outros planetas.

Mas eles descobriram os cálculos irrealistas que eram comumente usados ​​em modelos para confirmar a hipótese de UP. “Eles descrevem populações como se indivíduos individuais não existissem. É como se estivéssemos descrevendo um líquido sem considerar os átomos ”, explicou Goldenfeld em uma carta. Como esses modelos permitiram que as populações se recuperassem mesmo depois que o número de indivíduos caiu para alguns por cento, eles subestimaram a probabilidade de extinção. Goldenfeld e Sue chamaram esse problema de ausência de "ruído estocástico", uma vez que os cálculos não refletem distúrbios de sequência matematicamente aleatórios impostos por uma restrição do mundo real.

Sue e Goldenfeld decidiram refazer os modelos, dando-lhes realismo. "Não esperávamos que a hipótese da UP parasse de funcionar", disse Sue. "Nós só queríamos ver se algo muda com a adição de ruído."

Os resultados que eles descreveram recentemente na revista Physical Review Letters foram desastrosos. Os números sobre biodiversidade e a coexistência de espécies não caíram apenas - eles desapareceram. "De fato, todas as espécies foram extintas", disse Sue. Em testes repetidos, a população flutuante de vítimas constantemente caiu para zero e, em seguida, os predadores desapareceram devido à falta de comida. Às vezes, o sistema degradava para um único par de espécies, presas e predadores, que existiam há algum tempo, mas mesmo essas opções nem sempre eram estáveis. Rico em diversificação inerente à natureza, não estava em lugar nenhum.

Mas Sue e Goldenfeld deram outro passo, incorporando algo não explicado pelas simulações anteriores: evolução. Eles permitiram que as vítimas melhorassem sua capacidade de fugir dos predadores, e os predadores se tornassem melhores em capturar presas.

Como resultado, uma corrida armamentista se desenrolou quando as crescentes capacidades de vítimas e predadores evoluíram em paralelo, e isso mudou tudo. Esta competição adicionou variedade de espécies ao sistema, e os efeitos do UE impediram a vitória de uma das espécies. A biodiversidade floresceu.

Sue e Goldenfeld vêem evidências da dinâmica da co-evolução na natureza na genômica. "Se você estuda as bactérias e encontra áreas do genoma que estão se desenvolvendo mais rapidamente, verifica-se que essas áreas estão associadas à resistência a vírus", disse Sue. Como o modelo UP de co-evolução indica, os efeitos da seleção natural na área de resistência a vírus reforçam outra motivação - por exemplo, é melhor competir com outras bactérias.

No entanto, essa não é uma evidência completamente convincente, e os pesquisadores planejam estudar mais detalhadamente a generalização de suas conclusões. Eles querem ver o que acontece se os predadores forem menos exigentes com as vítimas. Outro tópico para reflexão, diz Goldenfeld, é que, além de matar bactérias e outras células, os vírus às vezes carregam genes entre eles. Esse duplo papel de "predador e taxista de genes", disse ele, "pode ​​ter sérias conseqüências para a evolução e estabilidade dos ecossistemas".

Também não está claro se o modelo UP de co-evolução é igualmente aplicável a todos os tipos de vida. “Em princípio, a interação de predadores e vítimas não se limita aos microorganismos. Vai a todo lugar, até lebres e raposas - disse Sue. Mas ela também observou que seu modelo sugere que mudanças evolutivas (mutações) e mudanças ambientais (nascimento e morte de organismos) ocorrem na mesma linha do tempo e com uma frequência aproximadamente igual. "Para espécies como lebres e raposas, isso não é verdade, mas em microorganismos é freqüentemente encontrado."

Segundo Jed Furman, professor de ciências biológicas da Universidade do Sul da Califórnia, a modelagem geralmente é uma abordagem útil, mas deve ser tratada com cautela. "Algumas suposições e aspectos se aplicam diretamente a sistemas naturais complexos, e outros não". Como até as comunidades microbianas usam estratégias diferentes para a sobrevivência, ele disse que "os modelos podem ser aplicados a algumas partes da comunidade mais do que a outras".

Mas se o modelo demonstrar ampla aplicabilidade, então, de acordo com Goldenfeld, "mostrará que existem abordagens muito gerais para a obtenção de diversas populações no ecossistema e que as monoculturas são uma exceção, não uma regra". Pode-se esperar que a evolução da vida, mesmo em outros planetas e luas, leve a uma diversidade de ecossistemas complexos. Ele disse que uma das áreas futuras do trabalho de seu laboratório será o estudo do "surgimento do metabolismo social" de uma variedade de organismos, cada um dos quais processa materiais em seu próprio ambiente à sua maneira.


O sexto maior satélite de Saturno, Encélado, é considerado um dos lugares mais promissores do sistema solar onde a vida extraterrestre poderia ter se desenvolvido. Fluxos de água rompem fissuras em sua superfície de gelo, indicando a presença de um vasto oceano de água sob o gelo.

Essa idéia pode ser útil para a exploração do espaço quando enviamos sondas em busca da vida nos oceanos sob o gelo que cobre a superfície da lua de Júpiter, na Europa, e a lua de Saturno, Encélado. Se houver vida lá, eles terão que ver os sinais bioquímicos de ecossistemas inteiros, não de organismos individuais.

De acordo com Kevin Peter Hand, vice-gerente de projetos do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, os instrumentos projetados para sondas que viajam para Marte, Europa, Encélado e outros abrigos em potencial para a vida já estão procurando sinais de ecossistemas. Ele disse que o conceito de sonda proposto para a Europa, no qual ele trabalha, é especialmente projetado para "fazer pelo menos nove medições diferentes e complementares que não respondem a espécies individuais", como a complexidade e quiralidade de organismos compostos e a presença nas amostras de estruturas semelhantes às celulares.

Mas se os astrobiólogos lidam com a questão da existência fundamental da vida extraterrestre e podem começar a estudar o quanto a dinâmica de outros ecossistemas se assemelha à da Terra, o conhecimento da solução para o paradoxo do plâncton pode desempenhar um papel decisivo.