Предупреждать или скрываться от хищников? Новое компьютерное моделирование дает ответы

Ученые хорошо понимают, почему многие ядовитые или невкусные животные имеют яркую окраску — это сигнал хищникам: «Не ешь меня, иначе отравишься». Эти постоянные предупреждающие сигналы стали классическим примером «апосематизма» — использования броских сигналов для отпугивания.

Однако не все животные постоянно демонстрируют предупреждающую окраску. Некоторые токсичные животные скрывают её, показывая лишь в последний момент при атаке («переключаемый апосематизм»). Другие же вообще не рекламируют свой неприятный вкус, а используют химическую защиту уже после нападения. Причины такого разнообразия стратегий до конца не ясны.

В недавней статье в PeerJ корейско-польская команда (Вончхоль Сон и Пётр Яблонский из Сеульского национального университета и Польской академии наук, а также Сан-им Ли из DGIST) представила первую комплексную компьютерную модель (ApoSim) для понимания эволюции этого разнообразия. Модель создана в удобной среде NetLogo и доступна для всех. Видео на YouTube показывает, как изменение скорости обучения хищников влияет на эволюционный исход.

По словам доктора Вончхоля Сона, эволюционные биологи уделяли непропорционально много внимания постоянному апосематизму. «Относительно легко понять, почему ядовитые лягушки-древолазы жёлтые, а гигантские шершни имеют яркие оранжево-чёрные полосы. Эти животные получают выгоду, постоянно предупреждая хищников, но также увеличивают риск быть обнаруженными теми, кого яд не останавливает. Однако когда у жертвы есть выбор — показывать сигнал или скрывать и когда это делать, — всё усложняется. Нужно взвешивать затраты и выгоды от способа и времени демонстрации сигнала», — отмечает доктор Сон.

Объединить крайне разнообразные формы поведения в одну модель было непросто. «Богомол, принимающий угрожающую позу, гремучая змея, производящая звук тревоги, божья коровка, выпускающая гемолимфу с дурным запахом, кальмар, вспыхивающий как неоновая вывеска, и скунс, поднимающий полосатый хвост, — их послание одинаково: «Держись от меня подальше». Но они также бесчисленными способами отличаются друг от друга. Однако для теоретических исследований их нужно поместить в одну формулу. Это как складывать яблоки и апельсины, убеждая других учёных, что это хорошая идея», — вспоминает доктор Сон.

Исследователи учли энергетические затраты, время, анатомию и физиологию, заметность, запоминаемость и многие другие свойства апосематического поведения жертв, а также процессы обучения хищников. В итоге авторы создали упрощённый цифровой мир, который разумно отражает разнообразие постоянного и переключаемого апосематизма и может использоваться без навыков программирования.

Модель была запущена более 88 тысяч раз, чтобы выяснить, какая стратегия лучше в зависимости от:

• скорости обучения хищников;
• доли хищников, ещё не научившихся избегать защищённую добычу;
• лёгкости обнаружения жертвы;
• заметности жертвы после демонстрации сигнала;
• сложности для жертвы развить и поддерживать способность переключать сигналы.

Результаты подтвердили некоторые существующие идеи и принесли новые открытия. Например, можно предположить, что в экосистеме есть несколько типов хищников. Если некоторые из них не боятся предупреждения и всё равно атакуют, жертве может быть выгоднее скрывать сигнал, чтобы избежать обнаружения такими хищниками. Это лишь один простой пример, который можно визуализировать и понять с помощью новой модели.

«Мы не только показали, что смесь хищников может двигать эволюцию переключаемого апосематизма, но и оценили несколько других убедительных гипотез, взаимодействующих в пятимерном пространстве параметров, определяемых свойствами жертв и хищников. Со времён Дарвина было опубликовано много идей, но лишь немногие были тщательно изучены. Теперь каждую из них можно исследовать в цифровом мире этой модели, а результаты интегрировать с полевыми наблюдениями, как в наших недавних исследованиях пятнистой фонарницы», — прокомментировал доктор Пётр Яблонский. «Модель также станет новым образовательным инструментом для преподавания эволюции», — добавила доктор Сан-им Ли, чей опыт преподавания эволюции в Корее указал на потребность в таких инструментах.