Экоэволюционная динамика

Экоэволюционная динамика относится к взаимному влиянию экологии и эволюции друг на друга. ^{[ 1 ]} Влияние экологии на эволюционные процессы обычно наблюдается в исследованиях, но осознание того, что эволюционные изменения могут быть быстрыми, привело к возникновению эколого-эволюционной динамики. ^{[ 2 ]} Идея о том, что эволюционные процессы могут происходить быстро и в одном временном масштабе с экологическими процессами, побудила ученых начать изучать влияние эволюции на экологию, а также влияние экологии на эволюцию. ^{[ 3 ]} Недавние исследования задокументировали эко-эволюционную динамику и обратную связь, которая представляет собой циклическое взаимодействие между эволюцией и экологией. ^{[ 4 ]} в природных и лабораторных системах на разных уровнях биологической организации , таких как популяции , сообщества и экосистемы . ^{[ 2 ]}

История

Со времени Чарльзом Дарвином публикации «Происхождение видов» в 1859 г. ^{[ 5 ]} Известно, что эволюция происходила в длительных географических временных рамках. ^{[ 1 ]} Считалось, что эволюционные процессы происходят отдельно от экологических временных рамок, потому что 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 работами Дарвина, возникла концепция экоэволюционной динамики. ^{[ 1 ]}

(1930) признавали Хотя Дарвин и Р.А. Фишер , что эволюционные и экологические процессы переплетены, только в 1950-х и 1960-х годах учёные начали выдвигать гипотезы о влиянии эволюции на экологию. ^{[ 1 ]} Возможность того, что экологические процессы находятся под влиянием эволюции и не происходят независимо от эволюционных временных рамок, побудила ученых исследовать взаимные взаимодействия между экологией и эволюцией в природных и лабораторных системах. ^{[ 1 ]} Действительно, все больше данных показывает, что эволюция также может происходить в тонких временных масштабах одновременно с экологическими процессами. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Хотя исследовать эколого-эволюционную динамику в природных системах было сложно, она была успешно задокументирована с помощью моделей и лабораторных исследований. ^{[ 2 ]} Различные исследования задокументировали взаимодействие между эволюционными и экологическими процессами и их возникновение в одном временном масштабе в популяциях, сообществах и экосистемах. ^{[ 2 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} Вклад в исследования эколого-эволюционной динамики включает эмпирические исследования коловраток и зеленых водорослей. ^{[ 13 ]} зяблики Дарвина, ^{[ 14 ]} плодовые мушки, ^{[ 15 ]} взаимодействие живой самки и зоопланктона, ^{[ 4 ]} и тринидадские гуппи. ^{[ 16 ]}^{[ 4 ]}

Экоэволюционные взаимодействия и обратная связь

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 меняют экологические взаимодействия организма, и цикл повторяется. ^{[ 4 ]} Петля обратной связи возникает из-за взаимодействия между быстрой эволюцией и экологическими изменениями. Изменение распределения наследственных признаков или частоты генотипов внутри 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 ]}

Население и сообщества

Быстрая эволюция играет важную роль в формировании экологических процессов внутри популяций и сообществ, поскольку экоэволюционная обратная связь позволяет поддерживать и сохранять вариации признаков у вида, поскольку она изменяет динамику популяций и сообществ. ^{[ 3 ]}^{[ 17 ]} Когда на популяционную динамику влияют вариации наследственных признаков, в течение нескольких поколений это может изменить силу и направление естественного отбора, воздействующего на эти признаки. ^{[ 3 ]}^{[ 13 ]} На популяционную динамику также влияет ландшафт окружающей среды, в которой обитает вид. Ландшафт может влиять на распределение генетических вариаций внутри популяции, поскольку он изменяет частоты генов . Изменение частот генов приводит к изменению фенотипических признаков, определяющих размножение и выживание организма, а эволюционные изменения влияют на популяционную динамику. ^{[ 1 ]} Эколого-эволюционная динамика также очевидна на уровне сообщества. ^{[ 3 ]} Краткосрочная эволюция может повлиять на скорость, с которой организмы адаптируются к изменяющейся среде, а скорость эволюции может изменить структуру сообщества. ^{[ 3 ]}^{[ 17 ]} Примером экоэволюционной динамики популяций и сообществ является взаимодействие двух видов. В системе хищник-жертва экоэволюционная обратная связь приводит к колебаниям плотности населения по мере изменения выбора признаков. ^{[ 3 ]}^{[ 8 ]} Эволюционные изменения одного вида могут привести к изменению наследственных черт и демографии у другого вида, что, в свою очередь, может повлиять на первый вид. ^{[ 8 ]} коловраток и водорослей Хемостаты использовались для наблюдения за быстрой эволюцией, изменяющей взаимодействие хищник-жертва. Ёсида и др. ^{[ 13 ]} сравнили культуры коловраток в сочетании с несколькими клонами водорослей с культурами коловраток в сочетании с одним клоном. Различия в защите от потребления в генотипах водорослей влияют на скорость роста и плотность популяции коловраток, что приводит к изменению частот генов в водорослях. У водорослей с одним клоном эволюция добычи была подавлена из-за отсутствия изменчивости. Отсутствие адаптивной эволюции у одного клона препятствовало экоэволюционной обратной связи в системе хищник-жертва. ^{[ 4 ]}

Экосистемы

Хотя экоэволюционная динамика была успешно задокументирована с помощью моделей и лабораторных исследований, исследовать экоэволюционную динамику в природных системах было сложно. ^{[ 13 ]} Особенно сложно изучать эволюционную и экологическую динамику в экосистеме из-за большого количества видов и сложных взаимодействий, составляющих экосистему. ^{[ 8 ]} Осознание того, что быстрая эволюция может изменить экологические процессы, побудило исследователей принять экоэволюционный подход, наблюдая при этом последствия быстрых эволюционных изменений в экосистемах в наше время. ^{[ 8 ]} Идея изучения эволюции целых экосистем возникла еще в 1920-х годах. ^{[ 18 ]} Была выдвинута гипотеза, что эволюция посредством естественного отбора будет направлена на достижение максимального потока энергии через экосистему. С тех пор движение к слиянию экологии экосистем и эволюции продолжалось, и исследования показали, какое влияние эволюция оказывает на экологию экосистемы и наоборот. В экосистеме взаимодействие между людьми и окружающей средой может стимулировать изменения в эволюции. Из-за сложности экосистем организмы испытывают множество взаимодействий в окружающей среде, и эти взаимодействия могут косвенно изменить оказываемое на них селективное давление. ^{[ 8 ]} Давление отбора приводит к генетическим и фенотипическим вариациям, которые влияют на переменные экосистемы, такие как разложение , круговорот питательных веществ и первичная продуктивность . ^{[ 4 ]} Примером переменных экосистемы, на которые влияет эволюция, является эксперимент на мезокосме с использованием тринидадских гуппи. Давление хищников в окружающей среде вызвало эволюционные изменения в особенностях жизненного цикла гуппи, что отразилось на экосистемных процессах. ^{[ 4 ]} Проживание гуппи в среде с большим количеством хищников приводит к тому, что рыбы рожают чаще и потомство становится меньше. Это потомство также созрело в более раннем возрасте и меньшего размера, чем гуппи, живущие в среде с низким уровнем нападения хищников. Популяции с большим количеством и меньшим количеством гуппи увеличивали количество азота и фосфора в питательном пуле экосистемы, что увеличивало биомассу водорослей. Увеличение обратной биомассы водорослей влияет на эволюцию других признаков гуппи. Таким образом, эволюционные изменения в особенностях жизненного цикла тринидадских гуппи, вызванные хищничеством, привели к экологическим последствиям на уровне сообщества и экосистемы, которые, в свою очередь, повлияли на эволюцию других черт гуппи. ^{[ 4 ]} Другая гипотеза эколого-эволюционной динамики экосистем связана с эволюцией пищевых сетей. Ученые начали изучать эволюцию пищевых сетей в экосистемах с помощью эволюционных симуляционных моделей, чтобы понять структуру и функции современных экосистем. Результаты их моделей приводят к созданию пищевых сетей, похожих на существующие в настоящее время пищевые сети. ^{[ 8 ]}

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Пеллетье Ф., Гарант Д., Хендри А.П. (июнь 2009 г.). «Экоэволюционная динамика» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 364 (1523): 1483–9. дои : 10.1098/rstb.2009.0027 . ПМК 2690510 . ПМИД 19414463 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Бруннер Ф.С., Дир Дж.А., Эгас М., Эйсагирре К., Раймакерс Дж.А. (2019). «Разнообразие эколого-эволюционной динамики: сравнение обратных связей между экологией и эволюцией в разных масштабах» . Функциональная экология . 33 (1): 7–12. дои : 10.1111/1365-2435.13268 . ISSN 1365-2435 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Кох Х., Фрикель Дж., Валиади М., Бекс Л. (20 мая 2014 г.). «Почему быстрая адаптивная эволюция важна для динамики сообщества» . Границы экологии и эволюции . 2 . дои : 10.3389/fevo.2014.00017 . hdl : 11858/00-001M-0000-0024-C67E-7 . ISSN 2296-701X . S2CID 5633985 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Сообщение DM, Палковач EP (июнь 2009 г.). «Экоэволюционные обратные связи в экологии сообществ и экосистем: взаимодействие экологического театра и эволюционной игры» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 364 (1523): 1629–40. дои : 10.1098/rstb.2009.0012 . ПМК 2690506 . ПМИД 19414476 .
^ Дарвин С. (2008). О происхождении видов . ISBN 978-0-19-192032-5 . OCLC 1237770177 . Архивировано из оригинала 11 мая 2021 г. Проверено 26 марта 2021 г.
^ Урбан, Марк К.; Штраус, Шэрон Ю.; Пеллетье, Фани; Палковач, Эрик П.; Лейболд, Мэтью А.; Хендри, Эндрю П.; Де Местер, Люк; Карлсон, Стефани М.; Ангерт, Эми Л.; Гири, Шон Т. (28 июля 2020 г.). «Эволюционное происхождение экологических закономерностей в космосе» . Труды Национальной академии наук . 117 (30): 17482–17490. дои : 10.1073/pnas.1918960117 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 7395528 . ПМИД 32641501 .
^ Хоффманн, Ари Х.; Флэтт, Томас (18 марта 2022 г.). «Быстрый темп адаптации» . Наука . 375 (6586): 1226–1227. дои : 10.1126/science.abo1817 . ISSN 0036-8075 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Фуссманн Г.Ф., Лоро М., Абрамс П.А. (2007). «Экоэволюционная динамика сообществ и экосистем». Функциональная экология . 21 (3): 465–477. дои : 10.1111/j.1365-2435.2007.01275.x . ISSN 1365-2435 .
^ Рой, Сурав; Наг Чоудхури, учёный; Мали, Пракаш Чандра; Перц, Матяж; Гош, Бакар (9 августа 2022 г.). «Экоэволюционная динамика мультиигр с мутациями» . ПЛОС ОДИН 17 (8):e0 дои : 10.1371/journal.pone.0272719 . ISSN 1932-6203 . ПМЦ 9362954 . ПМИД 35944035 .
^ Наг Чоудхури, Саянтан; Кунду, Шрилена; Банерджи, Джит; Перц, Матяж; Гош, Дибакар (июнь 2021 г.). «Экоэволюционная динамика сотрудничества при наличии полиции» . Журнал теоретической биологии . 518 : 110606. arXiv : 2107.07574 . дои : 10.1016/j.jtbi.2021.110606 . ISSN 0022-5193 . ПМИД 33582077 . S2CID 231927216 .
^ Наг Чоудхури, Саянтан; Кунду, Шрилена; Перц, Матяж; Гош, Дибакар (август 2021 г.). «Сложная эволюционная динамика из-за наказания и свободного пространства в экологических мультииграх» . Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 477 (2252). дои : 10.1098/rspa.2021.0397 . ISSN 1364-5021 . S2CID 236970661 .
^ Наг Чоудхури, Саянтан; Банерджи, Джит; Перц, Матяж; Гош, Дибакар (07 мая 2023 г.). «Экоэволюционное циклическое доминирование среди хищников, добычи и паразитов» . Журнал теоретической биологии . 564 : 111446. arXiv : 2303.08158 . дои : 10.1016/j.jtbi.2023.111446 . ISSN 0022-5193 . PMID 36868345 . S2CID 257323076 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Йошида Т., Джонс Л.Е., Эллнер С.П., Фуссманн Г.Ф., Хейрстон Н.Г. (июль 2003 г.). «Быстрая эволюция стимулирует экологическую динамику в системе хищник-жертва». Природа . 424 (6946): 303–6. Бибкод : 2003Natur.424..303Y . дои : 10.1038/nature01767 . ПМИД 12867979 . S2CID 4425455 .
^ Хейрстон-младший Н.Г., Эллнер С.П., Гебер М.А., Йошида Т., Фокс Дж.А. (2005). «Быстрая эволюция и сближение экологического и эволюционного времени: Быстрая эволюция и сближение экологического и эволюционного времени» . Экологические письма . 8 (10): 1114–1127. дои : 10.1111/j.1461-0248.2005.00812.x .
^ Рудман, Сет М.; Гринблюм, Шэрон И.; Раджпурохит, Субхаш; Бетанкур, Николя Ж.; Ханна, Джинджу; Тилк, Сюзанна; Ёкояма, Туя; Петров Дмитрий А.; Шмидт, Пол (18 марта 2022 г.). «Прямое наблюдение адаптивного отслеживания в экологических масштабах времени у дрозофилы» . Наука . 375 (6586): eabj7484. дои : 10.1126/science.abj7484 . ISSN 0036-8075 . ПМЦ 10684103 .
^ Палковач Е.П., Маршалл М.К., Ламфер Б.А., Линч Б.Р., Уиз DJ, Фрейзер Д.Ф. и др. (июнь 2009 г.). «Экспериментальная оценка эволюции и коэволюции как факторов изменения экосистем в ручьях Тринидада» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 364 (1523): 1617–28. дои : 10.1098/rstb.2009.0016 . ПМК 2690507 . ПМИД 19414475 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Томпсон Дж. Н. (август 1998 г.). «Быстрая эволюция как экологический процесс». Тенденции в экологии и эволюции . 13 (8): 329–32. дои : 10.1016/s0169-5347(98)01378-0 . ПМИД 21238328 .
^ Лотка А.Я. (июнь 1922 г.). «Вклад в энергетику эволюции» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 8 (6): 147–51. Бибкод : 1922PNAS....8..147L . дои : 10.1073/pnas.8.6.147 . ПМЦ 1085052 . ПМИД 16576642 .

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Пеллетье Ф., Гарант Д., Хендри А.П. (июнь 2009 г.). «Экоэволюционная динамика» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 364 (1523): 1483–9. дои : 10.1098/rstb.2009.0027 . ПМК 2690510 . ПМИД 19414463 .

[:1-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Бруннер Ф.С., Дир Дж.А., Эгас М., Эйсагирре К., Раймакерс Дж.А. (2019). «Разнообразие эколого-эволюционной динамики: сравнение обратных связей между экологией и эволюцией в разных масштабах» . Функциональная экология . 33 (1): 7–12. дои : 10.1111/1365-2435.13268 . ISSN 1365-2435 .

[:2-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Кох Х., Фрикель Дж., Валиади М., Бекс Л. (20 мая 2014 г.). «Почему быстрая адаптивная эволюция важна для динамики сообщества» . Границы экологии и эволюции . 2 . дои : 10.3389/fevo.2014.00017 . hdl : 11858/00-001M-0000-0024-C67E-7 . ISSN 2296-701X . S2CID 5633985 .

[:7-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Сообщение DM, Палковач EP (июнь 2009 г.). «Экоэволюционные обратные связи в экологии сообществ и экосистем: взаимодействие экологического театра и эволюционной игры» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 364 (1523): 1629–40. дои : 10.1098/rstb.2009.0012 . ПМК 2690506 . ПМИД 19414476 .

[:5-5] Дарвин С. (2008). О происхождении видов . ISBN 978-0-19-192032-5 . OCLC 1237770177 . Архивировано из оригинала 11 мая 2021 г. Проверено 26 марта 2021 г.

[6] Урбан, Марк К.; Штраус, Шэрон Ю.; Пеллетье, Фани; Палковач, Эрик П.; Лейболд, Мэтью А.; Хендри, Эндрю П.; Де Местер, Люк; Карлсон, Стефани М.; Ангерт, Эми Л.; Гири, Шон Т. (28 июля 2020 г.). «Эволюционное происхождение экологических закономерностей в космосе» . Труды Национальной академии наук . 117 (30): 17482–17490. дои : 10.1073/pnas.1918960117 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 7395528 . ПМИД 32641501 .

[7] Хоффманн, Ари Х.; Флэтт, Томас (18 марта 2022 г.). «Быстрый темп адаптации» . Наука . 375 (6586): 1226–1227. дои : 10.1126/science.abo1817 . ISSN 0036-8075 .

[:9-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Фуссманн Г.Ф., Лоро М., Абрамс П.А. (2007). «Экоэволюционная динамика сообществ и экосистем». Функциональная экология . 21 (3): 465–477. дои : 10.1111/j.1365-2435.2007.01275.x . ISSN 1365-2435 .

[9] Рой, Сурав; Наг Чоудхури, учёный; Мали, Пракаш Чандра; Перц, Матяж; Гош, Бакар (9 августа 2022 г.). «Экоэволюционная динамика мультиигр с мутациями» . ПЛОС ОДИН 17 (8):e0 дои : 10.1371/journal.pone.0272719 . ISSN 1932-6203 . ПМЦ 9362954 . ПМИД 35944035 .

[10] Наг Чоудхури, Саянтан; Кунду, Шрилена; Банерджи, Джит; Перц, Матяж; Гош, Дибакар (июнь 2021 г.). «Экоэволюционная динамика сотрудничества при наличии полиции» . Журнал теоретической биологии . 518 : 110606. arXiv : 2107.07574 . дои : 10.1016/j.jtbi.2021.110606 . ISSN 0022-5193 . ПМИД 33582077 . S2CID 231927216 .

[11] Наг Чоудхури, Саянтан; Кунду, Шрилена; Перц, Матяж; Гош, Дибакар (август 2021 г.). «Сложная эволюционная динамика из-за наказания и свободного пространства в экологических мультииграх» . Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 477 (2252). дои : 10.1098/rspa.2021.0397 . ISSN 1364-5021 . S2CID 236970661 .

[12] Наг Чоудхури, Саянтан; Банерджи, Джит; Перц, Матяж; Гош, Дибакар (07 мая 2023 г.). «Экоэволюционное циклическое доминирование среди хищников, добычи и паразитов» . Журнал теоретической биологии . 564 : 111446. arXiv : 2303.08158 . дои : 10.1016/j.jtbi.2023.111446 . ISSN 0022-5193 . PMID 36868345 . S2CID 257323076 .

[:3-13] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Йошида Т., Джонс Л.Е., Эллнер С.П., Фуссманн Г.Ф., Хейрстон Н.Г. (июль 2003 г.). «Быстрая эволюция стимулирует экологическую динамику в системе хищник-жертва». Природа . 424 (6946): 303–6. Бибкод : 2003Natur.424..303Y . дои : 10.1038/nature01767 . ПМИД 12867979 . S2CID 4425455 .

[:6-14] Хейрстон-младший Н.Г., Эллнер С.П., Гебер М.А., Йошида Т., Фокс Дж.А. (2005). «Быстрая эволюция и сближение экологического и эволюционного времени: Быстрая эволюция и сближение экологического и эволюционного времени» . Экологические письма . 8 (10): 1114–1127. дои : 10.1111/j.1461-0248.2005.00812.x .

[15] Рудман, Сет М.; Гринблюм, Шэрон И.; Раджпурохит, Субхаш; Бетанкур, Николя Ж.; Ханна, Джинджу; Тилк, Сюзанна; Ёкояма, Туя; Петров Дмитрий А.; Шмидт, Пол (18 марта 2022 г.). «Прямое наблюдение адаптивного отслеживания в экологических масштабах времени у дрозофилы» . Наука . 375 (6586): eabj7484. дои : 10.1126/science.abj7484 . ISSN 0036-8075 . ПМЦ 10684103 .

[16] Палковач Е.П., Маршалл М.К., Ламфер Б.А., Линч Б.Р., Уиз DJ, Фрейзер Д.Ф. и др. (июнь 2009 г.). «Экспериментальная оценка эволюции и коэволюции как факторов изменения экосистем в ручьях Тринидада» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 364 (1523): 1617–28. дои : 10.1098/rstb.2009.0016 . ПМК 2690507 . ПМИД 19414475 .

[:8-17] Перейти обратно: ^а ^б Томпсон Дж. Н. (август 1998 г.). «Быстрая эволюция как экологический процесс». Тенденции в экологии и эволюции . 13 (8): 329–32. дои : 10.1016/s0169-5347(98)01378-0 . ПМИД 21238328 .

[18] Лотка А.Я. (июнь 1922 г.). «Вклад в энергетику эволюции» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 8 (6): 147–51. Бибкод : 1922PNAS....8..147L . дои : 10.1073/pnas.8.6.147 . ПМЦ 1085052 . ПМИД 16576642 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]