Правильно вибираючи друзів, можна врятуватися від конкурентів • Олександр Марков • Новини науки на "Елементи" • Екологія, Математика

Правильно вибираючи друзів, можна врятуватися від конкурентів

Ця схема показує, яким чином взаємовигідне співробітництво між видами (мутуалізмом) може посилювати чи послаблювати конкуренцію в залежності від структури мутуалістіческіе зв'язків. зелені гуртки – види (P – рослини, A – тварини, наприклад комахи-запилювачі). Суцільні сині стрілки – мутуалістіческіе зв'язку, суцільні червоні стрілки – конкуренція, пунктирні стрілки – непрямі ефекти мутуалізму. зліва (a) – структура співтовариства є "вкладеної": види-фахівці, що мають тільки по одному партнеру (рослина P1 і тварина A2), співпрацюють з видами-генералісти, що мають по два партнера. В цьому випадку мутуалізмом веде до ослаблення конкуренції (наприклад, вид А1 є не тільки конкурентом виду A2, але і "другом його друга" – рослини P2). справа (b) – структура не є "вкладеної", оскільки види-фахівці A2 і P3 співпрацюють не з генералісти, а один з одним. В цьому випадку мутуалізмом призводить до загострення конкуренції. Наприклад, вид A1 не тільки конкурує з видом А2 безпосередньо, але ще і побічно шкодить йому, допомагаючи рослинам P1 і P2 – конкурентам рослини P3. Мал. з обговорюваної статті Sugihara & Ye

За допомогою математичного моделювання та аналізу реальних симбіотичних комплексів рослин і комах-запилювачів вдалося показати,що взаємовигідне співробітництво між видами (мутуалізмом) може сприяти зниженню конкуренції і зростання числа видів в співтоваристві, але тільки в тому випадку, якщо мережа мутуалістіческіе зв'язків має високий ступінь «вкладеності». Це означає, що види-фахівці, які мають мало «друзів», повинні кооперуватися з видами-генералісти (у яких «друзів» багато), і навпаки. Що стосується відносин «хижак-жертва», то з ними все навпаки: чим вище ступінь «вкладеності» в мережі таких зв'язків, тим гостріше міжвидова конкуренція і тим менше видів може ужитися в одному співтоваристві.

В умовах швидко розвивається екологічної кризи питання про фактори, що впливають на біологічне різноманіття, стає все більш актуальним. Незважаючи на значні успіхи, досягнуті екологами на цьому терені, багато ще залишається неясним. Одним з найменш розроблених є питання про вплив структури екологічних зв'язків на видове багатство, тобто на число видів, які можуть жити разом в одному співтоваристві. Справа ускладнюється тим, що зв'язки між видами в екосистемі можуть бути надзвичайно складними і різноманітними. Тому починати доводиться з свідомо спрощених моделей.

Іспанські екологи спробували розробити теоретичну базу для вивчення впливу мутуалізму – взаємовигідного співробітництва між видами – на властивості екосистеми. Прототипом для моделі послужили системи мутуалістіческіе взаємин між рослинами і тваринами – обпилювачами або розповсюджувачами насіння. Однак застосовність отриманої моделі може виявитися набагато ширше.

Три варіанти структури мутуалістіческіе зв'язків в співтоваристві рослин і комах-запилювачів. a – кожен вид рослин підтримує мутуалістіческіе відносини з усіма видами комах. b – "вкладена" структура зв'язків: види-фахівці дружать переважно з видами-генералісти. c – "компартменталізованная», не вкладена структура зв'язків. У випадках a іb мутуалізмом веде до ослаблення конкуренції між видами, тому що всі конкуренти мають спільних друзів. В разіc конкуренція загострюється, тому що у конкурентів друзі різні і ці друзі теж конкурують один з одним. Чим гостріше конкуренція, тим менше видів може ужитися в одному співтоваристві (це відображено розмірами квадратів). Мал. з обговорюваної статті Bastolla et al.

Модельне співтовариство складається з двох груп видів – «рослин» і «комах-запилювачів». Всі рослини конкурують один з одним за ресурси (наприклад, за місце під сонцем). Комахи теж конкурують один з одним. Між рослинами і комахами можуть виникати взаємовигідні відносини. Доля кожного виду в моделі залежить від співвідношення шкоди, принесеного ворогами-конкурентами, і користі, принесеної друзями-мутуалістамі. На виході оцінюється максимальне число видів рослин і комах, які можуть стійко співіснувати при даному наборі вхідних параметрів. Детальний опис моделі дано в додаткових матеріалах до статті.

В основі моделі лежить цілком розумне припущення про те, що мутуалістіческіе взаємини між рослинами і комахами можуть згладжувати негативний ефект конкуренції всередині кожної з двох груп. Особливо чітко цей ефект виявляється в тому випадку, якщо кожна рослина запилюється усіма видами комах. При цьому для кожного виду рослин інші рослини виявляються не тільки ворогами-конкурентами, а й «непрямими друзями», тому що вони підгодовують своїм нектаром комах, що обпилюють ця рослина.

У реальності, звичайно, так не буває: кожна рослина запилюється не всіма, а тільки деякими видами комах, а кожен вид комах запилюють не всі, а тільки деякі види рослин. Аналіз моделі показав, що сумарна кількість видів, які можуть ужитися в співтоваристві, залежить не тільки від числа і сили мутуалістіческіе зв'язків, але і від їх структури, тобто від того, хто з ким «дружить». Ключову роль відіграє така характеристика структури зв'язків, як «вкладеність» (nestedness). Високий ступінь «вкладеності» означає, що види-фахівці, що мають мале число «друзів», підтримують взаємовигідні відносини в основному з видами-генералісти, у яких «друзів» багато, і навпаки. Якщо ступінь «вкладеності» висока, мутуалізмом різко послаблює конкуренцію, що веде до зростання максимально можливого числа видів в співтоваристві. При низькій «вкладеності», тобто в тому випадку, коли фахівці дружать з фахівцями, мутуалізмом не веде до зниження конкуренції або навіть підсилює її. Спільнота з такою структурою може вмістити набагато менше видів.

Для перевірки цих висновків автори проаналізували наявні в літературі дані по 56 реальним мереж мутуалістіческіе зв'язків в спільнотах рослин і тварин – запилювачів і розповсюджувачів насіння.Підставляючи реальні цифри в модельні формули, вони показали, що закономірність, виявлена ​​в моделі, дійсно має місце в природі. Чим вище ступінь «вкладеності» в мережі мутуалістіческіе взаємодій, тим більше видів, при інших рівних умовах, входить в цю мережу.

Більшість природних мереж мутуалістіческіе взаємодій, як з'ясувалося, мають високу ступінь «вкладеності». Реальні спільноти немов спеціально організовані таким чином, щоб максимально посилити позитивний ефект, який чинить мутуалізмом на видове різноманіття. Це може здатися дивним. Види, що входять до спільноти, як ніби знають, з ким їм слід «дружити», щоб в співтовариство помістилося більше видів і сумарне різноманітність досягло максимуму.

Автори запропонували цьому явищу просте і витончене пояснення. Коли який-небудь вид впроваджується в уже існуючий співтовариство, він, зрозуміло, не думає про загальне благо. Однак імовірність того, що новий вид зможе закріпитися в співтоваристві, стати його постійним членом, залежить від сили конкурентного тиску, яке він буде відчувати. Чим сильніше конкуренти будуть тиснути «новачка», тим менше шансів, що він зуміє вижити в новому оточенні.А сила конкурентного тиску, в свою чергу, залежить від вибору «друзів». Новачок, швидше за все, буде вступати в співтовариство в ролі фахівця. Наприклад, якщо ця рослина, малоймовірно, що всі наявні в співтоваристві комахи відразу кинуться його запилювати: це було б занадто великим «везінням» для новачка. Швидше за все, знайдуться лише поодинокі види запилювачів, які ним зацікавляться. І ось тут-то вирішальне значення матиме те, які саме це будуть види – генералісти або фахівці.

У першому випадку рослина-«новачок» відразу стане «непрямим іншому» багатьох інших рослин, і конкурентний тиск буде ослаблено. У другому випадку все буде навпаки, і «новачок», швидше за все, не приживеться в цій спільноті. Отже, видовий склад співтовариства буде поповнюватися переважно за рахунок видів-фахівців, яким вдалося подружитися з уже живуть в співтоваристві видами-генералісти. Такий механізм поповнення спільноти повинен вести до підтримки високого рівня «вкладеності» структури зв'язків.

Виходить, що мутуалізмом в природі, як правило, сприяє зростанню видової різноманітності, хоча в принципі він зовсім не зобов'язаний цього робити і теоретично може навіть надавати зворотний ефект.

Аналіз моделі дав ще один цікавий результат. Виявилося, що, якщо деякі з мутуалістіческіе взаємодій в системі раптом посиляться, це може дати відповідних видів велика перевага в конкурентній боротьбі з усіма іншими видами, у яких взаємовигідні зв'язки залишилися слабкими. В результаті види, пов'язані сильними взаємодіями, швидко витіснять всіх своїх конкурентів. Це означає, що різке посилення мутуалізму у одних організмів теоретично може призводити до витіснення інших і навіть до їх вимирання.

Чи буває таке насправді? Точної відповіді поки немає. Не виключено, що подібні процеси зіграли якусь роль в подіях кінця мезозою – початку кайнозою. У що з'явилися в середині крейдяного періоду покритонасінних рослин, мабуть, відразу склалися міцні мутуалістіческіе відносини з комахами – запилювачами і ссавцями – розповсюджувачами насіння, тоді як динозаври, судячи за деякими непрямими даними, не змогли вступити у взаємовигідні відносини з новими домінантами рослинного світу ( см .: Butler et al., 2009). Чи не стало це однією з причин їх занепаду?

Якщо в розроблену авторами модель внести невеликі доповнення, вона може бути використана для опису більш складних систем. Наприклад, крім рослин і тварин-запилювачів в неї можна додати рослиноїдних тварин і хижаків, що харчуються обпилювачами. Основні висновки про вплив структури мутуалістіческіе зв'язків на видове різноманіття спільноти при цьому не змінюються. Що ж стосується зв'язків «хижак-жертва», то їх структура впливає на конкуренцію і різноманітність протилежним чином. Чим вище ступінь «вкладеності» цих зв'язків, тим гостріше конкуренція і тим нижчі видове різноманіття спільноти.

Нові види жертв, вступаючи в співтовариство, не зацікавлені в тому, щоб на них полював хижак-генералісти, тому що це призведе до загострення їх конкуренції з іншими жертвами. При наявності спільного ворога у двох видів жертв зростання чисельності одного з видів буде шкодити іншому не тільки прямо (через конкуренцію за ресурси), а й побічно, через зростання чисельності хижака. Це справедливо і для самих хижаків: вступаючи в співтовариство, їм вигідно обмежити свою дієту жертвамі- «фахівцями», тобто тими, хто не служить їжею більшості інших хижаків в цій спільноті.У цьому випадку інші хижаки будуть для новачка не так конкурентами, скільки «непрямими друзями», тому що вони будуть виїдати конкурентів того виду жертв, яким харчується новачок.

Таким чином, висока видове різноманіття в співтоваристві стає можливим в тому випадку, коли ступінь «вкладеності» мутуалістіческіе зв'язків висока, а зв'язків «хижак-жертва» – низька. Щоб послабити конкуренцію, всім конкурентам слід мати якомога більше спільних друзів і якомога менше спільних ворогів (або жертв). Максимальна видове різноманіття може бути досягнуто в тому випадку, якщо мутуалістіческіе зв'язку гранично генералізована (кожен дружить з усіма, з ким тільки можна), а зв'язку «хижак-жертва», навпаки, гранично спеціалізовані (кожен вид хижаків полює тільки на один вид жертв) .

Дана модель, по-видимому, в якійсь мірі застосовна не тільки до біологічних, а й до соціальних систем. Наприклад, є підстави вважати, що високий ступінь «вкладеності» партнерських (мутуалістіческіе) відносин між компаніями (наприклад, між виробниками і замовниками), перешкоджає утворенню монополій і сприяє мирному співіснуванню великого числа компаній в даній галузі економіки.

джерела:
1) Ugo Bastolla, Miguel A.Fortuna, Alberto Pascual-García, Antonio Ferrera, Bartolo Luque, Jordi Bascompte. The architecture of mutualistic networks minimizes competition and increases biodiversity // Nature. 2009. V. 458. P. 1018-1020.
2) George Sugihara, Hao Ye. Complex systems: Cooperative network dynamics // Nature. 2009. V. 458. P. 979-980.

Олександр Марков


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: