Forståelse af livets samudviklende web som et netværk

Samevolution, som opstår, når arter interagerer og tilpasser sig hinanden, er ofte undersøgt i sammenhæng med parvise interaktioner mellem gensidigt gavnlige symbiotiske partnere. Men mange arter har gensidige interaktioner med flere partnere, fører til komplekse netværk af interagerende arter.

I et papir offentliggjort 18. oktober i tidsskriftet Natur , en gruppe af økologer og evolutionsbiologer fra fem universiteter har forsøgt at forstå, hvordan arter udvikler sig sammen inden for store spind af mutualistiske arter. Undersøgelsen gav overraskende resultater om den relative betydning af direkte og indirekte effekter inden for sådanne netværk.

"Når parvise interaktioner er indlejret i et større net af interaktioner, hvad sker der, når effekterne diffunderer gennem netværket? Det er et virkelig svært problem at løse, og ikke kun i biologi, " sagde medforfatter John Thompson, fremtrædende professor i økologi og evolutionsbiologi ved UC Santa Cruz.

Kraften af ​​webs og netværk er velkendt i denne internet tidsalder. Internettet og dets brugere danner webs, ligesom veje og biler, virksomheder og byer, og neuronerne i vores krop. Jordens millioner af arter danner også spind som arter forbyder hinanden, snylter hinanden, konkurrere om mad, og danne gensidigt gavnlige foreninger.

Naturlig selektion favoriserer rovdyr, der er bedre til at fange bytte, bytte, der har bedre forsvar, og individer, der konkurrerer bedre mod andre arter. Blandt mutualistiske arter, naturlig udvælgelse favoriserer, for eksempel, planter, der er bedre til at tiltrække bestøvende insekter og blomsterbesøgende insekter, der er bedre til at udvinde pollen og nektar fra blomster.

Bare det at beskrive det fulde mønster af forbindelser inden for disse net er en skræmmende opgave. I den nye undersøgelse, forfatterne begyndte med et sæt på 75 net af interagerende arter, som andre forskere tidligere havde beskrevet fra en bred vifte af terrestriske og marine miljøer. Disse webs omfattede, for eksempel, planter og bestøvere, planter og frugtspisende fugle og pattedyr, og anemoner og anemonefisk.

Hvert net havde, i den ene yderlighed, arter, der kun interagerer med én anden art og, i den anden yderlighed, arter, der interagerer med mange andre arter. Når tegnet som et netværk, hver art er en knude, og hver interaktion mellem arter er en linje mellem to knudepunkter. Hver linje er derfor et direkte samspil mellem to arter.

Ved at bruge disse webs som udgangspunkt, forfatterne udviklede en matematisk model, der gjorde det muligt for dem for første gang at udforske, hvordan samevolution kunne forme arternes træk gennem komplekse net af mange interagerende arter. De ønskede at forstå, hvordan coevolution former arter, der interagerer både direkte og indirekte. Hvis to arter interagerer og udvikler sig sammen med hinanden, derefter deres samevolution, på tur, indirekte kan påvirke den fremtidige udvikling af andre arter på nettet. Forfatterne undersøgte de relative virkninger af direkte og indirekte coevolution på udviklingen af ​​egenskaber i baner med forskellige former.

Deres analyser antydede to kontraintuitive resultater. Først, jo stærkere er betydningen af ​​coevolutionær udvælgelse mellem partnere, jo større betydning har indirekte virkninger for den overordnede udvikling i hele netværket. Sekund, i mutualismer, der involverer flere partnere, de mest specialiserede arter - de arter med færrest direkte partnere - er mere påvirket af indirekte virkninger end af deres direkte partnere.

Disse to resultater, sammen med andre resultater rapporteret i papiret, har mange implikationer for forståelsen af ​​evolution og coevolution inden for spind af interagerende arter. Blandt de vigtigste er to konklusioner, der forbinder evolution, samevolution, og hastigheden af ​​miljøændringer.

Med langsomme miljøændringer, de indirekte virkninger af arter på udviklingen af ​​andre arter kan hjælpe gensidige interaktioner til at fortsætte over lange perioder. I modsætning, hurtige miljøændringer kan bremse den overordnede udviklingshastighed drevet af direkte interaktioner inden for store netværk, gør hver art mere sårbar over for udryddelse. Med hurtige miljøændringer, derefter, miljøer kan ændre sig hurtigere, end arter kan tilpasse sig inden for store mutualistiske netværk.

"De indirekte virkninger tjener til at buffere systemet under langsomme miljøændringer, holde det stabilt. Med den slags hurtige miljøændringer, vi ser nu, imidlertid, denne buffereffekt kan faktisk forhindre arter i at tilpasse sig hurtigt nok, " sagde Thompson.

Problemet med direkte og indirekte effekter inden for netværk er ikke unikt for biologi. Hvordan man studerer indirekte effekter inden for webs har bekymret videnskabsmænd i fysik, ingeniørarbejde, computer videnskab, og andre discipliner. Modelleringsrammerne udviklet af forfatterne er anvendelig til mange typer netværk.