Эволюция видов может нарушить циклы развития хищников и жертв

Считается, что отношения в системе хищник-жертва развиваются циклически. Когда число жертв увеличивается, например, из-за того, что их пища становится более доступной, популяции хищников тоже растут — по той же самой причине. Но когда популяция хищников слишком разрастается, популяция добычи часто падает, оставляя слишком скудную пищу для хищников, так что и их население вновь начинает сокращаться.

Этот канонический цикл отношений между хищником и жертвой был впервые выявлен биологами Альфредом Лоткой (Alfred James Lotka) и Вито Вотьтеррой (Vito Volterra) в 1920-х годах. Однако новое исследование показало, что, когда оба вида развиваются, традиционный цикл может обратиться вспять, так, что может даже показаться, будто добыча "ест" хищников.

Исследователи из технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) предложили теорию, объясняющую эти коэволюционные изменения. Они использовали данные, собранные другими учёными, и поработали с тремя парами хищник-жертва: норкой и ондатрой, кречетом и куропаткой, фагом и холерным вибрионом. На примере этих пар исследователи выяснили, как их теория может объяснить неожиданные повороты в циклах развития популяций.

Новая теория и анализ этих циклов коэволюции могут помочь эпидемиологам прогнозировать циклы болезней и вирулентности возбудителей инфекционных заболеваний, а также привести к лучшему пониманию того, как циклы популяций могут влиять на экосистемы.

"Наша работа показывает, что совместная эволюция может привести к новому, уникальному поведению в масштабе популяций, — рассказывает Джошуа Вейтц (Joshua Weitz). — В процессе эволюции динамика классических взаимоотношений добычи и хищника имеет гораздо больший диапазон возможных исходов. Мы не пытались заменить оригинальную теорию, но предложили более общую модель, которая может объяснить такие не совсем обычные явления".

По словам Вейтца, эволюция часто воспринимается как историческое событие, но на самом деле организмы развиваются непрерывно. В ходе этого процесса некоторые фенотипы становится доминирующими, если экологические и другие условия оказываются для них благоприятными, и наоборот. В таких группах организмов, как птицы или мелкие млекопитающие, изменения могут проявляться в течение десяти поколений. У микробных видов с краткой продолжительностью жизни эволюционные изменения могут занять всего несколько дней или недель.

Эволюционные изменения способны существенно влиять на отношения между видами, что потенциально может сделать их как более уязвимыми, так и менее уязвимыми. Например, если мутация, которая позволяет бактериям сопротивляться вирусу, становится доминирующей, отношения хищник-жертва меняются: уже бактерии становятся вредоносными.

"Во время подобных эволюционных процессов вы можете наблюдать, например, большое количество хищников при небольшой популяции добычи, — рассказывают авторы исследования. — Когда на одну добычу, пусть даже многочисленную, охотится несколько типов хищников, некоторые из них просто не могут нормально поесть".

В своей работе, Вейтц и его коллеги создали модели, в которых ускорили эволюционный процесс, чтобы показать, как их теория коэволюции влияет на циклы популяций хищников и жертв. Ускорение процесса позволило им разделить циклы на более короткие сегменты и проанализировать их более подробно. Затем они рассмотрели более ранние наблюдения за изменением распространенности трёх пар, на которых было сконцентрировано исследование. Используя собранные другими учеными данные, они показали, как модели реализуются в природе.

Их предшественники называли взаимоотношения хищников и жертв в этих трёх парах достаточно необычными, но Вейтц считает, что предложенная им модель позволит учёным получить более широкую и полную картину такого сложного процесса.

Подробности исследования были опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.