Η Εξέλιξη σώζει είδη από καταστροφές «Σκότωσε τον Νικητή».
Σε μια συνάντηση της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικολόγων το 1960, η διάσημη Βρετανίδα οικολόγος G. Evelyn Hutchinson έθεσε αυτό που ονόμασε «το παράδοξο του πλαγκτόν». Κοιτάξτε μια φιάλη θαλασσινού νερού. θα γεμίσει με διάφορα είδη πλαγκτού, όλα ανταγωνίζονται για τα ίδια ζωτικά στοιχεία και θρεπτικά συστατικά. Ωστόσο, η φυσική επιλογή συνεπάγεται ότι με την πάροδο του χρόνου, μόνο ένα είδος θα πρέπει να καταλαμβάνει μια οικολογική θέση, μια έννοια γνωστή ως ανταγωνιστικός αποκλεισμός. Και αυτό που ισχύει για το πλαγκτόν φαίνεται να ισχύει και για πολλά πρωτόζωα, φυτά, πουλιά, ψάρια και άλλους οργανισμούς. Πώς μπορούν τα οικοσυστήματα να έχουν συνήθως τόσα πολλά ανταγωνιστικά είδη που συνυπάρχουν σταθερά;
Οι οικολόγοι σκέφτονται από τότε αυτό το ενοχλητικό παράδοξο, αλλά γενικά έχουν παρηγορηθεί σε μια λύση γνωστή ως υπόθεση «σκότωσε τον νικητή» (KTW). Εξαρτάται από τις σχέσεις αρπακτικών-θηραμάτων στα οικοσυστήματα, τα οποία συχνά είναι συγκεκριμένα είδη. Καθώς ένα είδος αρχίζει να διώχνει τους ανταγωνιστές του, ο αυξανόμενος πληθυσμός του επιτρέπει σε περισσότερα από τα αρπακτικά του να ευημερούν επίσης. Η αρπακτικά τελικά σπρώχνει τον αριθμό των θηραμάτων ξανά προς τα κάτω (επομένως, σκοτώστε τους νικητές). Ο συνδυασμός ανταγωνισμού και θήρευσης αφήνει στη συνέχεια αρκετούς πληθυσμούς αντίπαλων ειδών να συνυπάρξουν σε ισορροπία. Η υπόθεση KTW έγινε η εξήγηση πολλών οικολόγοι για τη βιοποικιλότητα.
Όταν ο Nigel Goldenfeld, διευθυντής του Ινστιτούτου Αστροβιολογίας της NASA για την Παγκόσμια Βιολογία, και ο Chi Xue, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριό του στο Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, άρχισαν να εξετάζουν πιο προσεκτικά την ιδέα KTW το 2015, δεν σκοπεύω να το ανατινάξω. Αντίθετα, εξερευνούσαν ποια χαρακτηριστικά της ζωής και τα οικοσυστήματα θα μπορούσαν να είναι πανταχού παρόντα σε όλο τον κόσμο. Η διαφορετικότητα φαινόταν καλός υποψήφιος. «Αν κοιτάξετε διαφορετικά απομονωμένα οικοσυστήματα στη Γη, θα δείτε ποικιλομορφία παντού», είπε ο Xue. Ήταν περίεργοι για το τι θα μπορούσε να δημιουργήσει και να διατηρήσει αυτή την ποικιλομορφία και αν θα μπορούσε να είναι τόσο σχετική σε έναν άλλο πλανήτη.
Παρατήρησαν όμως ένα μη ρεαλιστικό ελάττωμα στους υπολογισμούς που χρησιμοποιούνταν παραδοσιακά σε μοντέλα για την επικύρωση της ιδέας του KTW:«Περίγραψαν πληθυσμούς σαν να μην υπήρχαν άτομα. Είναι σαν να περιγράψαμε ένα υγρό χωρίς να αναγνωρίζουμε άτομα», εξήγησε ο Goldenfeld μέσω email. Επειδή αυτά τα μοντέλα επέτρεψαν στους πληθυσμούς να ανακάμψουν ακόμη και μετά την κατακόρυφη πτώση σε απλά κλάσματα ατόμων, υποτίμησαν το μέγεθος της εξαφάνισης που θα μπορούσε να συμβεί. (Οι Goldenfeld και Xue αναφέρουν αυτό το πρόβλημα ως έλλειψη «στοχαστικού θορύβου» επειδή οι υπολογισμοί δεν αντικατοπτρίζουν τις μαθηματικά αυθαίρετες ασυνέχειες που επιβάλλουν οι περιορισμοί του πραγματικού κόσμου.)
Ο Xue και ο Goldenfeld αποφάσισαν να ξαναφτιάξουν τα μοντέλα πιο ρεαλιστικά. «Δεν περιμέναμε να αποτύχει η ιδέα του KTW», είπε ο Xue. "Θέλαμε απλώς να δούμε αν θα υπήρχε κάτι διαφορετικό αν προσθέταμε τον θόρυβο."
Τα αποτελέσματα, τα οποία περιέγραψαν πρόσφατα στο Physical Review Letters , ήταν καταστροφικές. Η βιοποικιλότητα και η συνύπαρξη ειδών δεν μειώθηκαν απλώς. εξαφανίστηκαν. «Βασικά, κάθε είδος εξαφανίστηκε», είπε ο Xue. Σε επαναλαμβανόμενες δοκιμές, οι κυμαινόμενοι πληθυσμοί θηραμάτων συνέχιζαν να πέφτουν στο μηδέν και στη συνέχεια τα αρπακτικά τους εξαφανίστηκαν από έλλειψη τροφής. Μερικές φορές το σύστημα ανατέθηκε σε ένα μόνο ζευγάρι ειδών αρπακτικών και θηραμάτων που παρέμειναν, αλλά ακόμη και αυτές οι ρυθμίσεις δεν ήταν πάντα σταθερές. Το είδος της πλούσιας σε είδη ποικιλομορφίας που βρέθηκε στη φύση δεν φαινόταν πουθενά.
Αλλά ο Xue και ο Goldenfeld πήγαν ένα βήμα παραπέρα για να συμπεριλάβουν κάτι άλλο που οι προηγούμενες προσομοιώσεις είχαν αφήσει έξω:την εξέλιξη. Επέτρεψαν στα θηράματα να γίνουν καλύτερα στην αποφυγή των αρπακτικών και στα αρπακτικά να γίνουν καλύτερα στο να πιάνουν θηράματα.
Αυτό που ακολούθησε ήταν ένας αγώνας εξοπλισμών, καθώς οι κλιμακούμενες δυνατότητες του θηράματος και των αρπακτικών εξελίχθηκαν παράλληλα και έκανε τη διαφορά. Αυτός ο ανταγωνισμός πρόσθεσε περισσότερη ποικιλότητα ειδών στο σύστημα, ενώ τα αποτελέσματα KTW εμπόδισαν οποιοδήποτε είδος να αναλάβει. Η βιοποικιλότητα στις προσομοιώσεις άνθισε.
Οι Xue και Goldenfeld βλέπουν στοιχεία από τη γονιδιωματική ότι αυτή η συνεξέλιξη δυναμική εμφανίζεται και στη φύση. «Όταν κοιτάς τα βακτήρια και βρίσκεις τις περιοχές του γονιδιώματος που εξελίσσονται πιο γρήγορα, αυτές είναι οι περιοχές που εμπλέκονται με την ιική αντίσταση», είπε ο Xue. Όπως υποδηλώνει το συνεξελισσόμενο μοντέλο KTW τους, η πίεση επιλογής για την αντίσταση στους ιούς φαίνεται να υπερβαίνει άλλες πιέσεις — για παράδειγμα, για να ανταγωνίζεται καλύτερα άλλα βακτήρια.
Ωστόσο, αυτό δεν είναι πειστική απόδειξη και οι ερευνητές σχεδιάζουν να διερευνήσουν περαιτέρω πόσο γενικεύσιμα είναι τα συμπεράσματά τους. Θέλουν να δουν τι συμβαίνει όταν τα αρπακτικά είναι λιγότερο συγκεκριμένα για το θήραμά τους. Μια άλλη σκέψη, σύμφωνα με τον Goldenfeld, είναι ότι εκτός από τη θανάτωση βακτηρίων και άλλων κυττάρων, οι ιοί ενίοτε ανταλλάσσουν γονίδια μεταξύ τους. Αυτός ο διπλός ρόλος - «ως αρπακτικό και επίσης οδηγός ταξί για τα γονίδια», είπε - μπορεί να έχει βαθιές επιπτώσεις στην εξέλιξη και τη σταθερότητα των οικοσυστημάτων.
Είναι επίσης αβέβαιο εάν το συνεξελισσόμενο μοντέλο KTW εφαρμόζεται εξίσου καλά σε όλους τους τύπους ζωής. «Καταρχήν, αυτή η αλληλεπίδραση μεταξύ αρπακτικού και θηράματος δεν είναι ειδική για μικροοργανισμούς. Είναι παντού, όπως μεταξύ του λαγού και της αλεπούς», είπε ο Xue. Αλλά σημείωσε επίσης ότι το μοντέλο τους υποθέτει ότι οι εξελικτικές αλλαγές (όπως οι μεταλλάξεις) και οι οικολογικές αλλαγές (όπως η γέννηση και ο θάνατος των οργανισμών) συμβαίνουν στην ίδια χρονική κλίμακα και με περίπου την ίδια συχνότητα. "Αυτό δεν ισχύει στην πραγματικότητα για είδη όπως η αλεπού και ο λαγός, αλλά αυτό είναι κοινό στους μικροοργανισμούς."
Σύμφωνα με τον Jed Fuhrman, καθηγητή βιολογικών επιστημών στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια, οι προσεγγίσεις μοντελοποίησης μπορούν γενικά να είναι χρήσιμες, αλλά θα πρέπει να ερμηνεύονται με προσοχή. «Ορισμένες υποθέσεις και πτυχές είναι πιο άμεσα εφαρμόσιμες σε πολύπλοκα φυσικά συστήματα από άλλες». Επειδή ακόμη και οι μικροβιακές κοινότητες χρησιμοποιούν ποικίλες στρατηγικές επιβίωσης, είπε, «τα μοντέλα μπορεί να ισχύουν για ένα τμήμα της κοινότητας περισσότερο από ό,τι σε άλλα».
Αλλά αν το συνεξελισσόμενο μοντέλο KTW αποδειχθεί ότι είναι ευρέως εφαρμόσιμο, τότε σύμφωνα με τον Goldenfeld, δείχνει ότι «υπάρχουν πολύ γενικοί τρόποι για να προσελκύσουμε διαφορετικούς πληθυσμούς σε ένα οικοσύστημα και ότι οι μονοκαλλιέργειες είναι η εξαίρεση, όχι ο κανόνας». Όπου η ζωή εξελίσσεται, ακόμη και σε άλλους πλανήτες και φεγγάρια, θα πρέπει να περιμένουμε να διαφοροποιηθεί σε πολύπλοκα οικοσυστήματα. Είπε ότι μια μελλοντική κατεύθυνση για το έργο του εργαστηρίου του θα είναι «πώς αναδύεται ένας κοινοτικός μεταβολισμός» από διάφορους οργανισμούς, ο καθένας επεξεργάζεται υλικά στο κοινό του περιβάλλον με διαφορετικούς τρόπους.
Αυτή η ιδέα θα μπορούσε να είναι σχετική με τους επιστήμονες του Διαστήματος, για παράδειγμα, όταν στέλνουν μελλοντικούς ανιχνευτές για να αναζητήσουν σημάδια ζωής στους ωκεανούς κάτω από τον πάγο που καλύπτει το φεγγάρι του Δία, Ευρώπη και το φεγγάρι του Κρόνου, τον Εγκέλαδο. Εάν υπάρχει ζωή, θα πρέπει πιθανώς να περιμένουν να δουν τις βιοχημικές υπογραφές ενός ολόκληρου οικοσυστήματος, όχι μεμονωμένων οργανισμών.
Σύμφωνα με τον Kevin Peter Hand, αναπληρωτή επιστήμονα του έργου για το Jet Propulsion Laboratory της NASA, τα όργανα που αναπτύσσονται για ανιχνευτές στον Άρη, την Ευρώπη, τον Εγκέλαδο και άλλους ύποπτους παραδείσους για ζωή αναζητούν ήδη σημάδια που συνδέονται ευρέως με τα οικοσυστήματα. Είπε ότι η προτεινόμενη ιδέα της αποστολής Europa Lander στην οποία εργάζεται έχει σχεδιαστεί για να καταγράφει «τουλάχιστον εννέα διαφορετικές, εξαιρετικά συμπληρωματικές μετρήσεις που είναι αγνωστικές για μεμονωμένα βιολογικά είδη», όπως η πολυπλοκότητα και η χειρομορφία οποιωνδήποτε οργανικών ενώσεων και η παρουσία κυτταροειδείς δομές σε δείγματα.
Αλλά αν οι αστροβιολόγοι ξεπεράσουν ποτέ το πρόβλημα του αν υπάρχει ζωή και μπορούν να προχωρήσουν στην εξέταση πόσο στενά μοιάζει η δυναμική των εξωγήινων οικοσυστημάτων με εκείνες της Γης, τότε η γνώση μιας λύσης στο παράδοξο του πλαγκτόν μπορεί να είναι κρίσιμη.
