Дарвин против Дарвина: как экологи разрешили 160-летний спор великого биолога с самим собой

Расселение живых организмов за пределы их естественной среды обитания — один из самых масштабных процессов, меняющих облик планеты. С развитием мировой торговли, судоходства и сельского хозяйства виды начали перемещаться между континентами и водоемами с очень высокой скоростью. Некоторые из этих переселенцев не могут выжить на новом месте, другие бесконфликтно сосуществуют с местными обитателями, а третьи вызывают экологические катастрофы, полностью уничтожая аборигенную флору и фауну.

Способность прогнозировать, приживется ли новый вид в конкретной экосистеме, имеет важнейшее практическое значение. Однако до последнего времени экологи не имели надежного инструмента для таких прогнозов. Главная трудность заключалась в нерешенном теоретическом споре, который начался еще в середине XIX века с подачи Чарльза Дарвина.

Суть спора: две противоречивые гипотезы

В своей работе «Происхождение видов» Чарльз Дарвинов обратил внимание на то, как родственные связи между организмами влияют на их способность заселять новые территории. Он сформулировал две гипотезы, которые прямо противоречат друг другу.

Первая гипотеза (гипотеза преадаптации) утверждает, что новому виду легче прижиться там, где уже обитают его близкие эволюционные родственники. Логика простая: если родственные виды успешно живут в этом регионе, значит, они уже выработали необходимые защитные механизмы против местного климата, состава почвы или воды. Новый вид, обладающий схожими генами и физиологией, автоматически оказывается хорошо приспособленным к местным физическим условиям.

Вторая гипотеза (гипотеза натурализации) утверждает прямо противоположное: чужаку гораздо проще закрепиться в сообществе, где нет его близких родственников. Родственные виды нуждаются в одинаковой пище, занимают одни и те же убежища и страдают от общих болезней и хищников. Из-за этого между ними неизбежно возникает острая конкуренция за выживание. Вид, который эволюционно далек от местных обитателей, приносит с собой уникальные свойства. Он находит незанятые ресурсы, не вступает в прямую конкуренцию с аборигенами и потому приживается легче.

В течение 160 лет экологи пытались выяснить, какая из этих гипотез верна. Ученые анализировали базы данных по растениям, птицам и рыбам в разных уголках мира, но результаты оставались хаотичными. В одних регионах подтверждалась первая гипотеза, в других — вторая. Стало очевидно, что в экосистемах действуют оба механизма одновременно, но наука не понимала, какой из них и в каких условиях берет верх.

Что такое «тёмное разнообразие» и полнота сообщества

Чтобы разрешить это противоречие, группа исследователей применила сравнительно новую экологическую концепцию — анализ тёмного разнообразия.

Традиционно при изучении экосистем биологи подсчитывают только те виды, которые они видят непосредственно в момент исследования. Это называется наблюдаемым видовым богатством. Однако такой подход не учитывает скрытый потенциал среды.

Тёмное разнообразие — это список видов, которые отсутствуют в исследуемом месте в данный момент, но могут там жить, поскольку локальный климат, почва или вода им полностью подходят.

Объединив реально существующие виды и виды из тёмного разнообразия, ученые получают потенциальный пул видов — полный список организмов, способных существовать в данной географической точке.

Отношение количества реально присутствующих видов к общему числу видов из потенциального пула называют полнотой сообщества.

• Высокая полнота означает, что практически все виды, которые физически способны жить в этом месте, уже там присутствуют. Свободных ресурсов в такой системе почти нет.
• Низкая полнота указывает на то, что многие подходящие виды по каким-то причинам отсутствуют (например, не смогли преодолеть горы или реки, либо исчезли из-за локального замора). В такой экосистеме есть много неиспользуемых ресурсов и свободных экологических ниш.

Математически рассчитать тёмное разнообразие можно на основе статистического анализа совместного обитания видов. Если виды А, Б и В в 90% случаев встречаются в одних и тех же озерах региона, а в исследуемом озере обнаружены только А и Б, то вид В с высокой вероятностью относится к тёмному разнообразию этого конкретного озера.

Эмпирическая проверка: 340 лет истории шведских озер

Для проверки своей модели ученые использовали уникальный массив данных по пресноводным озерам Швеции. Эта база данных охватывает период с 1658 по 2002 год. В ней подробно задокументированы состав местных видов рыб в 516 озерах и результаты 748 попыток запустить туда новые, чужеродные виды (всего 22 вида рыб).

Этот исторический эксперимент уникален своим масштабом и точностью. Ученые знали исход каждой попытки расселения: прижился новый вид (сохранял ли он стабильную популяцию на протяжении более 20 лет) или исчез.

Авторы исследования сопоставили степень эволюционного родства между переселенцами и местными рыбами с показателями тёмного разнообразия и полноты сообщества для каждого озера. Расчеты показали, что успешность расселения видов-чужаков строго подчиняется математическим закономерностям, которые зависят от состояния экосистемы.

Сценарий суровой среды: победа преадаптации

В озерах с небольшим потенциальным пулом видов и высокой полнотой сообщества наиболее успешными при переселении оказывались близкие родственники местных рыб.

Маленький потенциальный пул видов указывает на суровые физические условия среды (например, низкое содержание кислорода в воде или очень холодный климат). Выжить в таком озере крайне трудно. Физические факторы среды работают как жесткий фильтр, уничтожая любые организмы, не приспособленные к экстремальному режиму. В этих условиях биологическая конкуренция отходит на второй план. Чтобы просто выжить, новый вид должен обладать теми же защитными механизмами, что и местные виды, то есть быть их близким родственником.

Сценарий благоприятной среды: победа натурализации

В озерах с большим потенциальным пулом видов и низкой полнотой сообщества преимущество получали эволюционно далекие виды.

Большой пул видов говорит о том, что физические условия в озере мягкие, а ресурсов для жизни достаточно. Низкая полнота сообщества указывает на то, что в экосистеме много свободных ниш и неиспользуемой пищи. В такой благоприятной среде главным препятствием для нового вида становится не климат, а сопротивление местных обитателей. Если запустить в озеро рыбу, которая питается тем же и ведет себя так же, как местные виды (то есть их близкого родственника), она столкнется с сильным противодействием и, скорее всего, будет вытеснена. Но если запустить вид, который эволюционно далек от местных, он легко займет одну из многочисленных свободных ниш, не вступая в прямую конкуренцию с аборигенами.

Почему простые методы подсчета видов не работали

До этого исследования экологи пытались прогнозировать успех расселения новых видов, оценивая только видовое богатство — общее количество видов, уже живущих в водоеме. Считалось, что чем больше видов живет в озере, тем сложнее новому чужаку туда внедриться.

Шведский эксперимент доказал, что этот показатель сам по себе не работает. Модели, построенные только на подсчете зарегистрированных видов, имели крайне низкую точность.

Дело в том, что простое число видов не дает информации о потенциале экосистемы. Например, десять видов в одном озере могут означать, что водоем заполнен на 100% и свободных ресурсов нет. А те же десять видов в другом, более крупном и теплом озере, могут составлять лишь 20% от его потенциальной емкости.

Только сопоставив количество реально живущих видов с количеством видов из тёмного разнообразия (то есть теми, кто мог бы здесь жить, но отсутствует), ученые смогли точно оценить свободную емкость экосистемы и спрогнозировать поведение переселенцев.

Значение для охраны природы

Проведенное исследование примиряет давний научный спор. Чарльз Дарвин был прав в обоих своих утверждениях, но каждое из них справедливо для конкретного экологического контекста. Гипотеза преадаптации работает в жестких физических условиях при высокой заполненности ниш, а гипотеза натурализации — в мягком климате при наличии свободных ресурсов.

С практической точки зрения новая модель дает экологам и природоохранным организациям мощный инструмент. Для прогнозирования экологических последствий от появления новых видов больше не нужно проводить сложные, дорогие и долгосрочные химические и биологические анализы каждого водоема. Достаточно составить список местных видов и рассчитать параметры тёмного разнообразия по уже существующим статистическим таблицам. Это позволит своевременно выявлять наиболее уязвимые экосистемы и предотвращать экологические кризисы, связанные с бесконтрольным расселением чужеродных видов.

Источник: PNAS