Хаос как фактор биоразнообразия: почему так много видов?

Ученые из Кёльнского и Оснабрюкского университетов впервые продемонстрировали, что в биологических системах с одним видом могут возникать хаотические, непредсказуемые динамики даже при полностью постоянных внешних условиях. Колебания численности популяции происходят без взаимодействия с окружающей средой или другими видами.

Это может объяснить, почему на нашей планете сформировалось такое огромное разнообразие видов. Если разные виды и эволюционные линии подвержены внутренней нерегулярной хаотической динамике, они никогда не встречаются одновременно с одинаковой численностью. Прямая конкуренция становится редкой, что позволяет видам сосуществовать и эволюционировать гораздо дольше. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Механизм поддержания разнообразия

Исследовательская группа профессора Хартмута Арндта из Института зоологии Кёльнского университета изучала механизмы, приведшие к видовому разнообразию. В лабораторных экспериментах и на модельных данных ученые впервые показали, что неравномерная динамика численности особей в популяции может значительно влиять на сосуществование видов даже на уровне одного типа клеток и без внешних воздействий.

Докторанты Йоханнес Вернер и Тобиас Пич из команды Арндта обнаружили, что эволюция систем с единственным видом в непрерывном потоке питательной среды демонстрирует нелинейную динамику с признаками детерминированного хаоса. Непредсказуемые колебания численности возникают при постоянных условиях, без взаимодействия между видами и без флуктуаций среды.

Эти данные были дополнены моделированием, проведенным с теоретиком Франком Хилкером из Университета Оснабрюка. «Довольно простая и общая модель, которую мы разработали для анализа клеточного цикла деления, демонстрирует замечательный диапазон динамического поведения», — говорит первый автор работы Йоханнес Вернер.

Значение для сохранения биоразнообразия

Наблюдаемый феномен имеет фундаментальные последствия для понимания эволюционных процессов, поскольку потенциальное сосуществование конкурирующих видов или клеточных линий с меняющейся численностью — важная основа высокой биоразнообразия на Земле.

«Учет этих флуктуаций необходим для защиты биоразнообразия и его функций. Например, природные заповедники должны быть достаточно большими, чтобы естественные взлеты и падения численности особей вида не приводили к полному вымиранию. Даже в экстремальных условиях должны оставаться особи, чтобы обеспечить выживание вида», — пояснил Хартмут Арндт.