Sierkovitz Sierkovitz
4423
BLOG

Dwie królowe ewolucji, część 1: Czerwona Królowa.

Sierkovitz Sierkovitz Nauka Obserwuj temat Obserwuj notkę 18

Teoria ewolucji to bardzo szerokie pojęcie. Oprócz standardowej wersji z mutacjami i przewagą jednych wariantów nad drugimi w danej populacji, zajmuje się również tym, jak różne gatunki wpływają na siebie i jakie zasady kierują takimi interakcjami. Wydaje się być logicznym, że pasożyt i gospodarz, czy konkurenci o tą samą pulę zasobów, mają znaczący wpływ na wzajemną ewolucję. Tego typu koncepcje z dziedziny biologii ewolucyjnej mają charakterystyczne nazewnictwo. Jest efekt zielonej brody, hipoteza błazna, obiecujący potwór. Są też dwie królowe. Jedna z nich, ugruntowana od niemal czterach dekad w świadomości biologów ewolucyjnych, jest czerwona i będę o niej pisał dzisiaj. Druga z nich, dopiero raczkująca, jest czarna i będzie o niej w drugiej notce tego cyklu.

Hipoteza Czerwonej Królowej narodziła się w 1973 roku. Oczywiście to nie oznacza, że wcześniej nie myślano o podobnych zależnościach, po prostu w 1973 Leigh van Valen z uniwersytetu w Chicago zebrał sporo danych, przedstawił swoje wnioski i nazwał swoją hipotezę [1]. Dlaczego Czerwona Królowa? Nazwa pochodzi od jednej z bohaterek "Po drugiej stronie lustra" L. Carolla, królowej szachów - nie kart jak można wywnioskować w pierwszej chwili. Mówi ona do Alicji, że "aby utrzymać się w tym samym miejscu, trzeba biec ile sił".

Wyścig zbrojeń

Ten bieg ile sił tylko po to, żeby utrzymać status quo można zaobserwować w naturze niemal wszędzie. Przyjrzyjmy się drzewom w lesie. Są bardzo wysokie co pozwala im wygrać konkurencję z innymi drzewami o światło. Ale przecież wysokie drzewo inwestuje ogrom swoich zasobów w taką wysokość. Gdyby drzewa były w stanie umówić się: rośniemy do 5 metrów i tyle, zyskałyby ogromne ilości zasobów, które inwestują w dodatkowwe naście metrów wzrostu, większy system korzeniowy, większe wymagania co do soli organicznych itp. Niestety dla drzew, w ślepym świecie przyrody takie układy są niemożliwe. Innym przykładem jest konkurencja drapieżników i ich ofiar. można oczywiście posłużyć się przyładem geparda i antylopy, ale to klasyka gatunku. Dla świeżości, wezmę się za rośliny i roślinożerców.

Rośliny wyewoluowały szereg przystosowań, które mają je chronić przed roślinożercami. Różne mechanizmy ochronne spowodowały  przetrwanie tych gatunków. Ale przy okazji, część z nich doprowadziła do specjalizacji roślinożerców. I tak mamy trujące rośliny i zwierzęta odporne na truciznę (sumak i jelenie). Wysokie rośliny i wspinające się zwierzęta (leniwiec), które poradziły sobie z tym problemem. Twarde i ostre liście, kolce, na które odpowiedzią był równie twardy i odporny język (akacje i żyrafy). Mechanizmy odporności roślin - czyli ich "bieg ile sił", doprowadziły do tego, że te gatunki są wśród nas. Podobnie w wypadku roślinożerców, ich "pogoń" ile sił za roślinnymi innowacjami doprowadziła do tego, że mimo niewątpliwych sukcesów i prób ucieczki przed wszędobylskimi roślinożercami, rośliny sa nadal masowo pożerane na całym świecie. Hipoteza Czerwonej Królowej pokazuje świat istot żywych jako ciągły wyścig zbrojeń, w którym ewolucyjna przewaga jednego gatunku oznacza jednocześnie to, że inny gatunek traci swoje poletko i o ile nie przystosuje się odpowiednio szybko i skutecznie, ryzykuje wyginięcie albo w najlepszym wypadku marginalizację.

Gdzie ci mężczyźni? I po co?

Czerwona Królowa znalazła też zastosowanie w jednym z bardziej problematycznych zagadnień biologii. Skąd się wzięła płeć? Pytanie to jest trudniejsze niż mogłoby się to wydawać, biorąc pod uwagę jak rozpowszechnionym procesem jest rozmnażanie płciowe. Ale to co obserwujemy to już ustabilizowane populacje, w których płeć istnieje od tylu pokoleń, że w zasadzie nie ma od niej odwrotu. A od czegoś musiało się zacząć. Istnieją gatunki, które mają w swoim arsenale zarówno rozmnażanie płciowe i bezpłciowe ale tam też płeć jest tak głęboko zakodowana, że nie sposób się jej pozbyć.

Pierwsze populacje, które posiadały płeć musiały być narażone na zanik tej cechy. Chociażby dlatego, że posiadanie płci jest kosztowne. Przy rozmnażaniu płciowym, jeżeli dwa osobniki produkują dwójkę potomstwa, wielkość populacji na dłuższą metę się nie zmienia. Dlatego tak ważnym współczynnikiem w naszych populacjach jest dzietność > 2 na kobietę, w innym wypadku populacja maleje. Tymczasem bezpłciowo rozmnażające się organizmy, produkując dwójkę osobników potomnych, podwaja populację. Po dwóch pokoleniach, jest to już 4 razy więcej, po trzech 8 i tak dalej. W pierwotnej populacji posiadającej płeć, pojawienie się "samicy", która rozmnaża się bezpłciowo powinno doprowadzić do zaniknięcia zachowań płciowych w przeciągu kilkudziesięciu pokoleń, w zalewie bezpłciowo rozmnażających się klonów. Do tego dochodzi jeszcze jedne problem płci - przedstawiciele obu typów muszą się ze sobą spotkać, problem abstrakcyjny dla rozmnażających się bezpłciowo.

Wojna ślimaczych klonów

Wygląda na to, że w takim scenariuszu płeć raczej nie powinna istnieć. Ale, że rzeczywistość mówi inaczej, coś musiałem pominąć. Od dłuższego czasu wiadomo, że procesy płciowe prowadzą do tego, że w populacji danego gatunku istnieje znacznie większa zmienność genetyczna. Taka populacja zgodnie z Carrolem, może biec trochę szybciej, co pozwala im szybciej przystosować się do zmiany warunków. Ślimaki z gatunku Potamopyrgus antipodarum to jeden z gatunków, gdzie w naturze można zaobserwować oba typy rozmnażania. Postanowiono się więc przyjrzeć, co ma wpływ na ilość "płciowych" ślimaków w ich populacji[2].

W cytowanym badaniu sprawdzono jaki wpływ na ilość płciowego rozmnażania w populacji ma presja ze strony pasożytów. W laboratoryjnych warunkach, gdzie wszystko jest zapewnione, bardzo szybko pojawiają się bezpłciowe osobniki, które dzięki mniejszym kosztom dominują populację. W środowisku naturalnym jest do pewnego stopnia tak samo. Do pewniego stopnia, bo ich jest więcej bezpłciowych klonów, tym bardziej "opłaca" się pasożytom zaatakować tą subpopulacje. Prawie indentyczne klony są jak monokultura sosny w lesie - jeden wyspecjalizowany gatunek pasożyta przewinie się przez taką populację jak lawina, nie zostawiając nic po sobie. I widać to w cytowanym badaniu ślimaków. W populacji co i rusz pojawiają się bezpłciowe osobniki i szybko zaczynają stanowic znaczną jej część. Ale równie szybko giną pod wpływem chorób. Są zastępowane przez kolejne bezpłciowce ale te też zanikają pod presją pasożytów. Najciekawszą obserwacją badania Jokeli i współpracowników jest to, że im więcej pasożytów, tym mniejszy wpływ osobników mnożących się bezpłciowo w populacji.*

 

Czerwona Królowa mówi Alicji, że w świecie po drugiej stronie lustra samo przeżycie graniczy z cudem. Pod tym względem świat zwierząt nie rozczarowywuje. Ciągły wyścig zbrojeń dotyczy nie tylko różnych gatunków ale także konkurencji wewnątrzgatunkowej. Oczywiści hipoteza Czerwonej Królowej nie jest uniwersalną zasadą, znamy przykłady kooperacji na szeroką skalę i nawet przy przekraczaniu ram gatunkowych, czym zajmuja się inne hipotezy z tej dziedziny. Istnieją też inne modele ewolucji wewnątrz populacji, które tłumaczą inne rodzaje pasożytnictwa i inne strategie przetrwania. Tymniemniej Czerwona Królowa jak na prostotę samej hipotezy, tłumaczy przerażająco wiele w świecie biologii.

 

[1] A new evolutionary law, van Halen L, 1973 (http://dl.dropbox.com/u/18310184/evolutionary-theory/vol-01/Vol.1%2CNo.1%2C1-30%2CL.%20Van%20Valen%2C%20A%20new%20evolutionary%20law..pdf)
Polecam kliknąć chociażby po to, żeby docenić zdobycze techniki w postaci edytorów tekstu i programów do robienia wykresów.
[2] The Maintenance of Sex, Clonal Dynamics, and Host-Parasite Coevolution in a Mixed Population of Sexual and Asexual Snails, Jokela et al, American Naturalist, 2009 (http://www.eawag.ch/medien/bulletin/20090731/jokela_amnat_2009.pdf)

*w zlinkowanym artykule można obejrzec wykresy tego jak w populacji pojawiają się bezpłciowe osobniki i jak w miarę wzrostu ich częstotliwości występowania w populacji, zaczynają być podatne na pasożyty (Figure 1). Podpowiem, że szary obszar wykresu to osobniki mnożące się płciowo, biały - bezpłciowo.
 


 

Sierkovitz
O mnie Sierkovitz

Nowości od blogera

Komentarze

Inne tematy w dziale Technologie