Коэволюция

Содержание

Современное понимание коэволюции

Коэволюция создаёт комплекс совместных приспособлений (коадаптаций) у различных видов, обеспечивающих стабильное функционирование экосистем саморегулирующегося типа. Такая экосистема развивается и адаптируется к изменениям внешней условий (например, климатическим) и одновременно сохраняет стабильность видового состава и их иерархических взаимосвязей.

Нарушение сложившихся взаимосвязей приводит к разрушению всей экосистемы. Таким образом, к факторам эволюции добавили новый элемент. В настоящее время значимыми условиями естественного отбора считают:

  • климат;
  • доступность пищи;
  • наличие воды;
  • другие живые существа.

Вне биологии

Коэволюция — это в первую очередь биологическая концепция, но по аналогии ее применяли к другим областям.

В алгоритмах

Коэволюционные алгоритмы используются для создания искусственной жизни, а также для оптимизации, игрового обучения и машинного обучения . Дэниел Хиллис добавил «совместно развивающихся паразитов», чтобы процедура оптимизации не застревала на локальных максимумах. Карл Симс — соавтор виртуальных существ.

В архитектуре

Концепция коэволюции была введена в архитектуру датским архитектором-урбанистом Хенриком Валер как противоположность «звездной архитектуре». В качестве куратора Датского павильона на Венецианской биеннале архитектуры 2006 года он создал выставочный проект, посвященный совместной эволюции городского развития в Китае; он выиграл «Золотого льва» за лучший национальный павильон.

В Школе архитектуры, планирования и ландшафта Университета Ньюкасла коэволюционный подход к архитектуре был определен как практика проектирования, которая вовлекает студентов, волонтеров и членов местного сообщества в практическую экспериментальную работу, направленную на «установление динамических процессов обучения между пользователи и дизайнеры «.

В космологии и астрономии

В своей книге самоорганизующейся Вселенной , Эрих Янч приписывал всю эволюцию космоса в коэволюции.

В астрономии появляющаяся теория предполагает, что черные дыры и галактики развиваются взаимозависимым образом, аналогично биологической коэволюции.

В исследованиях менеджмента и организации

С 2000 года все большее количество исследований в области менеджмента и организаций обсуждает коэволюцию и коэволюционные процессы. Несмотря на это, Abatecola el al. (2020) обнаруживает преобладающую нехватку объяснений того, какие процессы в значительной степени характеризуют коэволюцию в этих областях, а это означает, что конкретные анализы о том, где находится эта точка зрения на социально-экономические изменения и к чему она может двигаться в будущем, все еще отсутствуют.

В социологии

В книге «Преданное развитие: конец прогресса и коэволюционный пересмотр будущего» (1994) Ричард Норгаард предлагает коэволюционную космологию для объяснения того, как социальные и экологические системы влияют и меняют друг друга. В книге «Коэволюционная экономика: экономика, общество и окружающая среда» (1994) Джон Гауди предполагает, что: «Экономика, общество и окружающая среда связаны между собой коэволюционными отношениями».

В технологии

Компьютерное программное обеспечение и оборудование можно рассматривать как два отдельных компонента, но неразрывно связанных совместной эволюцией. Точно так же операционные системы и компьютерные приложения , веб-браузеры и веб-приложения .

Все эти системы зависят друг от друга и шаг за шагом продвигаются через своего рода эволюционный процесс. Изменения в оборудовании, операционной системе или веб-браузере могут вводить новые функции, которые затем включаются в соответствующие приложения, работающие параллельно. Идея тесно связана с концепцией «совместной оптимизации» в анализе и проектировании социотехнических систем , где система понимается как состоящая из «технической системы», включающей инструменты и оборудование, используемые для производства и обслуживания, и «социальной системы». «отношений и процедур, посредством которых технология связана с целями системы и всеми другими человеческими и организационными отношениями внутри и вне системы. Такие системы работают лучше всего, когда технические и социальные системы целенаправленно разрабатываются вместе.

Важность

Статья Эрлиха и Рэйвена оказала большое влияние на поколение биологов и способствовала взрывному росту исследований взаимодействия растений и насекомых и химической экологии. Теория ускользания и коэволюции излучения стремится объяснить, почему мы видим такое огромное биологическое разнообразие на Земле. После побега организм излучается на несколько видов и распространяется географически. Свидетельства утечки и коэволюции излучения можно увидеть по эффекту звездообразования у растений и травоядных. клады. При анализе кладов ассоциаций хищник-жертва, хотя он варьируется, эффект звездообразования является хорошим индикатором того, что может иметь место коэволюция побега и излучения. В конце концов, этот цикл должен подойти к концу, потому что адаптации, влекущие за собой затраты (выделение ресурсов, уязвимость для других хищников), в какой-то момент перевешивают их выгоды.

Коэволюция побега и излучения может поддерживать параллельность кладогенез, при этом растение и травоядное животное филогении может совпадать с насекомыми-предками, эксплуатирующими предковые растения

Это важно, поскольку позволяет исследователям выдвигать гипотезы о взаимоотношениях между предковыми организмами. К сожалению, до сих пор не было никаких известных примеров, конкретно связанных с побегом и излучательной коэволюцией, которые использовались бы для гипотезы о родственных отношениях

Много раз организм, который «сбежал», постоянно подвергается избирательному давлению, потому что хищник, от которого он сбежал, эволюционирует, чтобы создать в ответ новую адаптацию, заставляя процесс продолжаться. Эти «наступательные» черты, развитые хищниками, весьма разнообразны. Например, травоядные животные могут развить адаптацию, которая позволяет улучшить детоксикацию, что позволяет преодолеть защитные силы растений, тем самым вызывая побег и коэволюцию излучения. Часто термин «эволюционная гонка вооружений» используется, чтобы проиллюстрировать идею о том, что непрерывная эволюция необходима для поддержания той же относительной приспособленности, пока два вида эволюционируют вместе. Эта идея также связана с Гипотеза Красной Королевы. Противодействие адаптации двух организмов посредством бегства и коэволюции излучения является главной движущей силой разнообразия.

Коэволюция побега и излучения производит гораздо больше биологических вариаций, чем другие эволюционные механизмы

Например, совместное видообразование важно для разнообразия среди видов, которые разделяют симбиотические отношения, однако это не создает почти такого разнообразия по сравнению с взаимными эволюционными изменениями из-за естественного отбора.Свидетельства быстрой диверсификации после новой адаптации показаны на примере эволюции полимерных и латексных трубок каналов у 16 ​​различных линий растений. Растения со смоляными или латексными каналами могут легко защитить себя от травоядных насекомых

Когда линии растений, несущих каналы, сравниваются с линиями растений без каналов, становится очевидным, что растения, несущие каналы, намного более разнообразны, поддерживая побег и излучая коэволюцию.

Устойчивость к лекарствам сегодня

Эволюция играет роль в устойчивости лекарств. Например, как ВИЧ становится устойчивым к лекарствам и иммунной системе организма. Мутация устойчивости к ВИЧ связана с естественным отбором выживших и их потомков. Тот ВИЧ, который выжил в иммунной системе, размножился и дал потомство, которое также было устойчиво к иммунной системе. Устойчивость к лекарствам также вызывает множество проблем для пациентов, таких как ухудшение состояния или болезнь может мутировать во что-то, что уже нельзя вылечить с помощью лекарств. Без надлежащего лекарства болезнь может привести к смерти пациента. Если их организм имеет устойчивость к определенному количеству лекарств, то подходящее лекарство будет все труднее и труднее найти. Неполный прием антибиотика также является примером резистентности, которая вызывает развитие бактерий или вирусов и их дальнейшее распространение в организме. Когда полная дозировка лекарства не попадает в организм и не выполняет свою работу должным образом, вирус и бактерии, которые выживают при первоначальной дозировке, будут продолжать размножаться. Позже это приводит к другой болезни, которую будет еще труднее вылечить, потому что это заболевание будет устойчивым к первому использованному лекарству. Завершение приема прописанного лекарства — жизненно важный шаг в предотвращении устойчивости к антибиотикам. Кроме того, люди с хроническими заболеваниями, которые длятся на протяжении всей жизни, подвергаются большему риску устойчивости к антибиотикам, чем другие. Это связано с тем, что чрезмерное употребление лекарства или слишком высокая дозировка может ослабить иммунную систему пациента, и болезнь будет развиваться и становиться сильнее. Например, больным раком потребуется более сильная и сильная дозировка лекарств из-за их слабой иммунной системы.

Теория географической мозаики

Географическая мозаичная теория коэволюции была разработана Джоном Н. Томпсоном как способ связать экологические и эволюционные процессы, которые формируют взаимодействия между видами в экосистемах. Он основан на трех наблюдениях, которые принимаются в качестве предположений: (1) виды обычно представляют собой группы популяций, которые несколько генетически отличаются друг от друга, (2) взаимодействующие виды часто встречаются вместе только в некоторых частях своего географического ареала и (3) ) взаимодействия между видами экологически различаются в разных средах.

Исходя из этих предположений, теория географической мозаики предполагает, что естественный отбор при взаимодействии между видами обусловлен тремя источниками изменчивости:

1. Мозаика географического отбора возникает во взаимодействиях между видами, потому что гены выражаются по-разному в разных средах и потому что разные гены предпочтительны в разных средах. Например, естественный отбор при взаимодействии между популяцией паразитов и популяцией хозяина может различаться в очень сухой и очень влажной среде. В качестве альтернативы взаимодействие между двумя или более видами может быть антагонистическим в некоторых средах, но мутуалистическим (полезным для обоих или всех видов) в других средах.

2. Коэволюционные горячие точки и холодные пятна возникают потому, что естественный отбор при взаимодействии между видами является взаимным в одних средах, но не в других. Например, популяция симбионтов может снизить выживаемость или размножение своих хозяев в одной среде, но это может не иметь никакого влияния на выживание или размножение хозяев в другой среде. Когда он пагубен, естественный отбор будет способствовать эволюционным реакциям в популяции хозяина, что приведет к коэволюционному очагу продолжающихся взаимных эволюционных изменений в популяциях паразитов и хозяев. Когда симбионт не влияет на выживание и воспроизводство хозяина, естественный отбор популяции симбионтов не будет способствовать эволюционному ответу популяции хозяина (т. Е. Коэволюционному простудному пятну).

3. Наконец, происходит постоянное перемешивание признаков, на которые естественный отбор воздействует как на локальном, так и на региональном уровне. В любой момент времени у местного населения будет уникальная комбинация генов, на которую действует естественный отбор. Эти генетические различия между популяциями возникают из-за того, что каждая местная популяция имеет уникальную историю новых мутаций, геномных изменений (например, дупликации всего генома), потока генов между популяциями от людей, прибывающих из других популяций или переходящих в другие популяции, случайной потери или фиксации генов. временами, когда популяции малы (случайный генетический дрейф), гибридизация с другими видами и другие генетические и экологические процессы, влияющие на исходный генетический материал, на который действует естественный отбор. Таким образом, более формально, географическая мозаика коэволюции может рассматриваться как генотип за генотипом за взаимодействием с окружающей средой (GxGxE), что приводит к неумолимой эволюции взаимодействующих видов.

Теория географической мозаики изучалась с помощью широкого спектра математических моделей, исследований взаимодействующих видов в природе и лабораторных экспериментов с использованием видов микробов и вирусов.

Побег

Различные защитные механизмы могут привести к экологическому бегству от хищников. Растения используют химическую защиту в виде вторичных метаболитов или аллелохимикаты. Эти аллелохимические вещества подавляют рост, поведение и здоровье травоядных, позволяя растениям ускользать. Примером аллелохимического соединения растений являются алкалоиды, которые могут ингибировать синтез белка у травоядных. Другие формы защиты растений включают механическую защиту, такую ​​как: тигмонастические движения листья растений закрываются в ответ на тактильную стимуляцию. Косвенные механизмы растений включают сбрасывание листьев растений, поэтому доступно меньше листьев, что сдерживает травоядных животных, рост в труднодоступных местах и ​​даже мимику. Для организмов, отличных от растений, примеры защитных механизмов, позволяющих ускользнуть, включают маскировку, апосематизм, обострение чувств и физических возможностей и даже защитное поведение, такое как симулирование смерти. Примером организма, использующего один из этих защитных механизмов, является гранулированная ядовитая лягушка который защищается апосематизмом

Важно понимать, что для того, чтобы произошла коэволюция побега и излучения, необходимо, чтобы разработанная защита была новой, а не ранее установленной

Индуцированная защита, проистекающая из адаптивного фенотипическая пластичность может помочь растению защитить себя от множества врагов. Фенотипическая пластичность возникает, когда организм подвергается изменению окружающей среды, вызывающему изменение, изменяющее его поведение, физиологию и т. Д. Эти индуцированные защиты позволяют организму сбежать.

Исследовать

Идея Майкла Розенцвейга об экологии примирения была разработана на основе существующих исследований, которые проводились по принципу, впервые предложенному Александром фон Гумбольдтом, согласно которому более крупные участки земли будут иметь большее видовое разнообразие по сравнению с более мелкими участками. Это исследование было сосредоточено на взаимосвязях между видами и ареалами (SPAR) и различных масштабах, в которых они существуют, от области выборки до SPAR между провинциями. Стабильная динамика разнообразия породила эти SPAR, которые сейчас используются для измерения сокращения видового разнообразия на Земле. В ответ на это сокращение разнообразия родилась экология примирения Розенцвейга.

Эволюционная экология изучалась с помощью симбиотических отношений между организмами, чтобы определить эволюционные силы, с помощью которых развиваются такие отношения. В симбиотических отношениях симбионт должен предоставить своему хозяину некоторое преимущество, чтобы выжить и оставаться эволюционно жизнеспособным. Исследования были проведены с использованием тлей и симбиотических бактерий, с которыми они совместно эволюционируют. Эти бактерии чаще всего сохраняются из поколения в поколение, демонстрируя высокий уровень вертикальной передачи . Результаты показали, что эти симбиотические бактерии в конечном итоге придают своим тлям-хозяевам некоторую устойчивость к паразитам, что одновременно увеличивает приспособленность тлей и приводит к совместной эволюции между видами, опосредованной симбионтами.

История

Идея эволюции путем естественного отбора была предложена Чарльзом Дарвином в 1859 году, но эволюционная биология как самостоятельная академическая дисциплина возникла в период современного синтеза в 1930-х и 1940-х годах. Только в 1980-х годах во многих университетах были факультеты эволюционной биологии. В Соединенных Штатах многие университеты создали кафедры молекулярной и клеточной биологии или экологии и эволюционной биологии вместо старых кафедр ботаники и зоологии . Палеонтологию часто относят к наукам о Земле .

Микробиология тоже становится эволюционной дисциплиной, теперь, когда микробная физиология и геномика стали более понятными. Быстрое время генерации бактерий и вирусов, таких как бактериофаги, позволяет исследовать вопросы эволюции.

Многие биологи внесли свой вклад в формирование современной дисциплины эволюционной биологии. Феодосий Добжанский и Э. Б. Форд разработали программу эмпирических исследований. Рональд Фишер , Сьюэлл Райт и Дж. С. Холдейн создали прочную теоретическую основу. Эрнст Майр в систематике , Джордж Гейлорд Симпсон в палеонтологии и Дж. Ледьярд Стеббинс в ботанике помогли сформировать современный синтез.
Джеймс Кроу , Ричард Левонтин , Дэн Хартл , Маркус Фельдман и Брайан Чарльзуорт подготовили целое поколение эволюционных биологов.

Значение концепции коэволюции для развития теории эволюции

Коэволюция показывает, что в природе действуют не только процессы конкуренции за ресурсы

Важное влияние имеют и процессы взаимодействия, взаимозависимости между разными видами в экосистеме. Именно так можно объяснить разнообразие существующих приспособлений и количество видов в живой природе

Принятие концепции коэволюции позволяет принять скорость появления этих изменений и узкую специализацию некоторых уникальных адаптационных находок.

Узкая специализация взаимодействующих видов в отдельных случаях создает такие уникальные комплексы, что выживаемость одного вида становится необходимым условием выживаемости другого вида.

Необходимо найти новое понятие для обозначения таких групп видов, взаимодействие между которыми настолько плотно, что они, по сути, являются единой экосистемой. Эти единые многокомпонентные экосистемы стабильны, развиваются и саморегулируются.

Сходство эволюции сложных живых систем разного уровня организации дает возможность предположить следующее: согласованное функционирование всех элементов системы повышает эффективность взаимодействия экосистемы с окружающей средой, обеспечивая долговременную стабильность и оптимизацию использования ресурсов.

Возможно, экосистема Земли в целом также находится в процессе эволюционного развития, что ставит вопрос о роли человеческого сообщества как элемента такой экосистемы.

Хозяева и паразиты

Паразиты и хозяева, размножающиеся половым путем

Совместная эволюция паразита и хозяина — это совместная эволюция хозяина и паразита . Общая характеристика многих вирусов как облигатных паразитов заключается в том, что они эволюционировали вместе со своими соответствующими хозяевами. Коррелированные мутации между двумя видами приводят их в эволюционную гонку вооружений. Какой бы организм, хозяин или паразит не мог поспевать за другим, будет исключен из их среды обитания, поскольку выживает вид с более высокой средней приспособленностью популяции. Эта раса известна как гипотеза Красной Королевы . Гипотеза Red Queen предсказывает , что половое размножение позволяет хосту оставаться впереди своего паразита, похожего на гонки Красной Королевы в рамках зеркала : «он принимает все работает вы можете сделать, чтобы остаться на то же место». Хозяин размножается половым путем, производя потомство с иммунитетом над паразитом, которое затем эволюционирует в ответ.

Отношения паразит-хозяин, вероятно, привели к преобладанию полового размножения над более эффективным бесполым размножением. Похоже, что когда паразит заражает хозяина, половое размножение дает больше шансов развить сопротивление (через вариации в следующем поколении), что дает изменчивость полового размножения для приспособленности, не наблюдаемую при бесполом размножении, которое производит другое поколение организма, восприимчивого к заражению. заражение тем же паразитом. Соответственно, коэволюция между хозяином и паразитом может быть ответственной за большую часть генетического разнообразия, наблюдаемого в нормальных популяциях, включая полиморфизм плазмы крови, полиморфизм белков и системы гистосовместимости.

Паразит потомства : камышевка выращивает кукушку.

Выводковые паразиты

Выводковый паразитизм демонстрирует близкую коэволюцию хозяина и паразита, например, у некоторых кукушек . Эти птицы не вьют свои собственные гнезда, а откладывают яйца в гнезда других видов, выбрасывая или убивая яйца и детенышей хозяина и, таким образом, оказывая сильное негативное влияние на репродуктивную пригодность хозяина. Их яйца замаскированы под яйца их хозяев, подразумевая, что хозяева могут отличить свои собственные яйца от яиц злоумышленников и находятся в эволюционной гонке вооружений с кукушкой между маскировкой и узнаванием. Кукушки не приспособлены к защите организма с помощью таких функций, как утолщенная яичная скорлупа, более короткая инкубация (поэтому их детеныши вылупляются первыми) и плоская спина, приспособленная для вытаскивания яиц из гнезда.

Антагонистическая коэволюция

Антагонистическая коэволюция наблюдается у видов муравьев- собирателей Pogonomyrmex barbatus и Pogonomyrmex rugosus в отношениях как паразитических, так и мутуалистических. Королевы не могут производить рабочих муравьев путем спаривания с их собственным видом. Только путем скрещивания они могут производить рабочих. Крылатые самки действуют как паразиты для самцов других видов, поскольку их сперма дает только бесплодные гибриды. Но поскольку выживание колоний полностью зависит от этих гибридов, это также мутуалистично. Хотя между видами нет генетического обмена, они не могут развиваться в направлении, в котором они станут слишком генетически разными, поскольку это сделало бы скрещивание невозможным.

Коэволюция при разных типах межвидовых взаимоотношений[править | править код]

При взаимоотношении видов смежных трофических уровнейправить | править код

В системе «хищник—жертва»править | править код

Наиболее частым примером коэволюции является взаимодействие в системе «хищник-жертва». Адаптации, вырабатываемые жертвами для противодействия хищникам, способствуют выработке у хищников механизмов преодоления этих приспособлений, получается своеобразная . Длительное совместное существование хищников и жертв приводит к формированию системы взаимодействия, при которой обе группы устойчиво сохраняются на изучаемой территории. Подобные механизмы коэволюции наблюдаются между фитофагами и поедаемыми ими растениями. Нарушение такой системы часто приводит к отрицательным экологическим последствиям.

Негативное влияние нарушения коэволюционных связей наблюдается при интродукции видов. В частности, домашние козы и кролики, интродуцированные в Австралии, не имеют на этом материке эффективных механизмов регуляции численности, что приводит к разрушению природных экосистем.

В системе «фитофаг—растение»править | править код

Фитофаги и их кормовые растения эволюционируют связанно (коэволюционируют): растения приобретают признаки устойчивости к поедателям (например, ядовитость разной степени или колючесть), а фитофаги противостоят этому.

В системе «паразит—хозяин»править | править код

Считается, что эволюция паразитов направлена на уменьшение летальности своих хозяев от заражения, настоящим паразитам выгодно долго эксплуатировать хозяев, а не убивать их. На начальном этапе коэволюции паразитов и хозяев происходит «гонка вооружений». Форма «паразитирования на убой» свойственна некоторым паразитоидам (например, наездникам).

При взаимоотношении видов несмежных трофических уровнейправить | править код

При межвидовой конкуренцииправить | править код

В общем случае, если речь идёт о конкуренции видов за определённый ресурс, становление биоценозов связано с расхождением их и уменьшением уровня межвидовой конкуренции

При мутуализмеправить | править код

Примером коэволюции является взаимодействие организмов при мутуализме. В этом случае эффективность взаимодействия организмов важна для выживания особей обоих видов.

  • Одним из ярких случаев коэволюции видов при мутуализме является совместная эволюция некоторых цветковых растений и их опылителей при зоофилии. Цветок зоофильных моноспециализированных растений устроен таким образом, что нектар из него может достать только один определённый вид, а у многих колибри наблюдается даже специализация полов на разные виды растений (по длине клюва).
  • Коэволюция муравьёв и растений. В тропических лесах Южной Америки наблюдается коэволюционный мутуализм растений рода Акация (Мимозовые семейства бобовых) и древесных муравьёв. Например, Акация cornigera, на которой живут муравьи Pseudomyrmex ferruginea, получает защиту от вредителей, а муравьи — вознаграждение в виде готовых полостей для муравейника и специальных питательных органов, развившихся у растений.
  • В некоторых случаях активная зоохория (тип комменсализма), при рассмотрении длительного временного промежутка, может быть мутуалистичной и приводить к коэволюции. Например, отмечается, что сойки на зиму избыточно запасают жёлуди дуба в разных тайниках, иногда забывая некоторые места на земле, в которых впоследствии вырастают деревья. Отбор на такую специфическую забывчивость выгоден и для популяции соек, т. к. способствует расширению ареала дуба, элемента их кормовой базы.