Эколого-эволюционная динамика

Экоэволюционная динамика относится к взаимным эффектам, которые экология и эволюция оказывают друг на друга. ^[1] Влияние экологии на эволюционные процессы обычно наблюдается в исследованиях, но осознание того, что эволюционные изменения могут быть быстрыми, привело к появлению экоэволюционной динамики. ^[2] Идея о том, что эволюционные процессы могут происходить быстро и в одном масштабе времени с экологическими процессами, побудила ученых начать изучать влияние эволюции на экологию, а также влияние экологии на эволюцию. ^[3] Недавние исследования задокументировали экоэволюционную динамику и обратную связь, которая представляет собой циклическое взаимодействие между эволюцией и экологией, ^[4] в естественных и лабораторных системах на разных уровнях биологической организации , таких как популяции , сообщества и экосистемы . ^[2]

С тех пор как Чарльз Дарвин опубликовал «Происхождение видов» в 1859 году, ^[5] стало известно, что эволюция происходит в течение длительного географического периода времени. ^[1] Считалось, что эволюционные процессы происходят отдельно от экологических периодов времени, поскольку они слишком медленны, чтобы взаимодействовать с экологическими изменениями. ^[3] Как только было признано, что эволюционные процессы могут происходить относительно быстро и в более короткие сроки, что противоречило предыдущей идее, связанной с работой Дарвина, возникла концепция эко-эволюционной динамики. ^[1]

Хотя Дарвин и Р. А. Фишер (1930) признали , что эволюционные и экологические процессы переплетены, только в 1950-х и 1960-х годах ученые начали выдвигать гипотезы о влиянии эволюции на экологию. ^[1] Возможность того, что экологические процессы находятся под влиянием эволюции и не происходят независимо от эволюционной временной шкалы, побудила ученых исследовать взаимные взаимодействия между экологией и эволюцией в естественных и лабораторных системах. ^[1] Действительно, все больше доказательств показывают, что эволюция также может работать в тонких временных масштабах одновременно с экологическими процессами. ^{[6] [7]} Хотя было сложно исследовать эко-эволюционную динамику в естественных системах, она была успешно задокументирована с помощью моделей и лабораторных исследований. ^[2] Различные исследования задокументировали взаимодействие между эволюционными и экологическими процессами и их возникновение в одной временной шкале в популяциях, сообществах и экосистемах. ^{[2] [8] [9] [10] [11] [12]} Вклад в исследование экоэволюционной динамики включает эмпирические исследования коловраток и зеленых водорослей, ^[13] вьюрков Дарвина, ^[14] плодовых мушек, ^[15] взаимодействий серых сельдей и зоопланктона, ^[4] и тринидадских гуппи. ^{[16] [4]}

В экоэволюционной динамике существует циклическое взаимодействие между эволюцией и экологией, называемое экоэволюционной обратной связью. Экологические взаимодействия организма могут привести к эволюционным изменениям его признаков. В ответ эволюционные изменения изменяют экологические взаимодействия организма, и цикл повторяется. ^[4] Цикл обратной связи возникает из-за взаимодействия между быстрой эволюцией и экологическими изменениями. Изменение в распределении наследуемых признаков или частоты генотипа в популяции в течение нескольких поколений считается быстрой эволюцией или микроэволюцией . ^[3] Экоэволюционная обратная связь присутствует на разных биологических уровнях организации , таких как популяции, сообщества и экосистемы. ^{[1] [4]}

Быстрая эволюция играет важную роль в формировании экологических процессов в популяциях и сообществах, поскольку экоэволюционная обратная связь позволяет поддерживать и сохранять вариации признаков у вида, поскольку она изменяет динамику популяции и сообщества. ^{[3] [17]} Когда динамика популяции зависит от вариации наследуемых признаков, в течение нескольких поколений она может изменить силу и направление естественного отбора, действующего на признаки. ^{[3] [13]} Динамика популяции также зависит от ландшафта среды, в которой живет вид. Ландшафт может влиять на распределение генетической изменчивости в популяции, поскольку он изменяет частоты генов . Изменение частот генов приводит к изменению фенотипических признаков, которые определяют воспроизводство и выживание организма, а эволюционные изменения влияют на динамику популяции. ^[1] Экоэволюционная динамика также очевидна на уровне сообщества. ^[3] Краткосрочная эволюция может влиять на скорость, с которой организмы адаптируются к изменяющимся условиям окружающей среды, а скорость эволюции может изменить структуру сообщества. ^{[3] [17]} Примером экоэволюционной динамики в популяциях и сообществах является взаимодействие двух видов. В системе хищник-жертва экоэволюционная обратная связь приводит к колебаниям плотности популяции, поскольку выбор признаков колеблется. ^{[3] [8]} Эволюционные изменения у одного вида могут привести к изменению наследуемых признаков и демографии у другого вида, что, в свою очередь, может повлиять на первый вид. ^[8] Хемостаты коловраток-водорослей использовались для наблюдения за быстрой эволюцией, изменяющей взаимодействия хищник-жертва. Йошида и др. ^[13] сравнили культуры коловраток, объединенные с несколькими клонами водорослей, с культурами коловраток, объединенными с одним клоном. Различия в защите от потребления в генотипах водорослей влияют на скорость роста и плотность популяции коловраток, которые в свою очередь изменяют частоты генов в водорослях. В водорослях с одним клоном эволюция добычи была подавлена ​​из-за отсутствия вариации. Отсутствие адаптивной эволюции в единственном клоне предотвратило эколого-эволюционную обратную связь в системе хищник-жертва. ^[4]

Хотя экоэволюционная динамика была успешно задокументирована с использованием моделей и лабораторных исследований, было сложно исследовать экоэволюционную динамику в природных системах. ^[13] Особенно сложно изучать эволюционную и экологическую динамику в экосистеме из-за большого количества видов и сложных взаимодействий, которые составляют экосистему. ^[8] Осознание того, что быстрая эволюция может изменить экологические процессы, побудило исследователей принять экоэволюционный подход, наблюдая за последствиями быстрых эволюционных изменений в экосистемах в современное время. ^[8] Идея изучения эволюции на целых экосистемах восходит к 1920-м годам. ^[18] Была выдвинута гипотеза, что эволюция посредством естественного отбора будет работать для достижения максимального потока энергии через экосистему. С тех пор прогресс в направлении слияния экологии экосистемы и эволюции продолжался, и исследования показали влияние эволюции на экологию экосистемы и наоборот. В экосистеме взаимодействия между особями и их средой могут управлять изменениями в эволюции. Из-за сложности экосистем организмы испытывают множественные взаимодействия в своей среде, и эти взаимодействия могут косвенно изменять селективное давление, оказываемое на них. ^[8] Селективное давление приводит к генетической и фенотипической изменчивости, которая влияет на такие переменные экосистемы, как разложение , круговорот питательных веществ и первичная продуктивность . ^[4] Примером переменных экосистемы, на которые влияет эволюция, является эксперимент в мезокосме с использованием тринидадских гуппи. Давление хищников в среде вызвало эволюционные изменения в чертах жизненного цикла гуппи, что повлияло на процессы в экосистеме. ^[4] Жизнь гуппи в среде с высоким уровнем хищничества привела к тому, что рыбы рожали чаще и имели меньшее потомство. Это потомство также созревало в более раннем возрасте и имело меньший размер, чем гуппи, живущие в среде с низким уровнем хищничества. Популяции с большим количеством и меньшими гуппи увеличили количество азота и фосфора в пуле питательных веществ экосистемы, что увеличило биомассу водорослей. Увеличение биомассы водорослей оказывает обратное влияние на эволюцию других признаков гуппи. Таким образом, эволюционные изменения в чертах жизненного цикла тринидадских гуппи, вызванные хищничеством, привели к экологическим эффектам на уровне сообщества и экосистемы, которые оказывают обратное влияние на эволюцию других признаков гуппи. ^[4] Другая гипотеза эко-эволюционной динамики в экосистемах включает эволюцию пищевых сетей.Ученые начали изучать эволюцию пищевых сетей в экосистемах с помощью эволюционных имитационных моделей, чтобы понять структуру и функции современных экосистем. Результаты их моделей приводят к созданию пищевых сетей, которые похожи на наши существующие пищевые сети. ^[8]