Гипотеза Красной Королевы
| Часть серии о |
| Эволюционная биология |
|---|
 |
Гипотеза Красной Королевы — это гипотеза эволюционной биологии , предложенная в 1973 году, согласно которой виды должны постоянно адаптироваться , развиваться и размножаться, чтобы выжить, сталкиваясь с постоянно развивающимися противостоящими видами. Гипотеза была призвана объяснить постоянную (независимую от возраста) вероятность вымирания , наблюдаемую в палеонтологических записях, вызванную совместной эволюцией конкурирующих видов ; [1] однако также высказывалось предположение, что гипотеза Красной Королевы объясняет преимущество полового размножения (в отличие от бесполого размножения ) на уровне особей, [2] и положительная корреляция между темпами видообразования и вымирания большинства высших таксонов . [3]
Происхождение [ править ]
В 1973 году Ли Ван Вален предложил эту гипотезу как «объясняющую касательную» для объяснения «закона вымирания», известного как «закон Ван Валена». [1] в котором говорится, что вероятность вымирания не зависит от продолжительности жизни вида или таксона более высокого ранга, а является постоянной на протяжении миллионов лет для любого данного таксона. Однако вероятность вымирания тесно связана с адаптивными зонами , поскольку разные таксоны имеют разную вероятность вымирания. [1] Иными словами, вымирание вида происходит случайно по возрасту, но неслучайно по экологии. В совокупности эти два наблюдения предполагают, что эффективная среда любой однородной группы организмов ухудшается со стохастически постоянной скоростью. Ван Вален предположил, что это результат эволюционной игры с нулевой суммой, вызванной межвидовой конкуренцией : эволюционный прогресс (= увеличение приспособленности ) одного вида ухудшает приспособленность сосуществующих видов, но поскольку сосуществующие виды также развиваются, ни один вид не развивается. получает долгосрочное увеличение приспособленности, а общая приспособленность системы остается постоянной.
Ван Вален назвал эту гипотезу «Красной Королевой», потому что согласно его гипотезе виды должны «бежать» или развиваться, чтобы оставаться на том же месте, или же вымереть, как сказала Красная Королева Алисе в книге Льюиса Кэрролла « Сквозь взгляд». -Гласс в своем объяснении природы Зазеркалья:
А здесь , видите ли, нужно бежать изо всех сил, чтобы оставаться на том же месте. [4]
Примеры [ править ]
вымирания (правило Стэнли Положительная корреляция между темпами видообразования и )
Палеонтологические данные показывают, что высокие темпы видообразования коррелируют с высокими темпами вымирания почти всех основных таксонов. [5] [6] Эта корреляция объясняется рядом экологических факторов, [7] но это может быть также результатом ситуации Красной Королевы, в которой каждое событие видообразования в кладе ухудшает приспособленность сосуществующих видов в одной и той же кладе (при условии, что существует консерватизм филогенетической ниши ). [3]
Эволюция пола [ править ]
Обсуждения эволюции пола не были частью гипотезы Красной Королевы Ван Валена, которая рассматривала эволюцию на уровнях выше уровня вида. Микроэволюционная версия гипотезы Красной Королевы была предложена Беллом (1982), также цитирующим Льюиса Кэрролла, но не цитирующим Ван Валена.
Гипотеза Красной Королевы независимо используется Хартунгом. [8] и Белл, чтобы объяснить эволюцию пола, [2] чтобы Джон Джейнике, объяснить поддержание секса [9] и У.Д. Гамильтон, чтобы объяснить роль секса в ответ на паразитов. [10] [11] Во всех случаях половое размножение обеспечивает видовую изменчивость и более быструю реакцию поколений на отбор , делая потомство генетически уникальным. Половые виды способны улучшать свой генотип в меняющихся условиях. Следовательно, коэволюционные взаимодействия между хозяином и паразитом, например, могут привести к половому размножению хозяев, чтобы снизить риск заражения. Колебания частот генотипов наблюдаются между паразитами и хозяевами антагонистическим коэволюционным путем. [12] без необходимости изменения фенотипа. В коэволюции нескольких хозяев и нескольких паразитов динамика Красной Королевы может повлиять на то, какие типы хозяина и паразита станут доминирующими или редкими. [13] Писатель-научный писатель Мэтт Ридли популяризировал этот термин в связи с половым отбором в своей книге «Красная королева» 1993 года , в которой он обсуждал дебаты в теоретической биологии по поводу адаптивной пользы полового размножения для тех видов, у которых оно проявляется. Участие Красной Королевы в этих дебатах обусловлено тем фактом, что традиционно принятая гипотеза викария Брея показала адаптивную выгоду только на уровне вида или группы, а не на уровне гена ( хотя изменчивый «викарий Брея» адаптация очень полезна для некоторых видов, принадлежащих к нижним уровням пищевой цепи ). Напротив, тезис типа Красной Королевы, предполагающий, что организмы участвуют в циклической гонке вооружений со своими паразитами, может объяснить полезность полового размножения на уровне гена, утверждая, что роль пола заключается в сохранении генов, которые в настоящее время невыгодны. но это станет выгодным на фоне вероятной будущей популяции паразитов.
Дальнейшие доказательства гипотезы Красной Королевы наблюдались в аллельных эффектах при половом отборе. Гипотеза Красной Королевы приводит к пониманию того, что аллельная рекомбинация выгодна для популяций, которые участвуют в агрессивных биотических взаимодействиях, таких как взаимодействия хищник-жертва или паразит-хозяин. В случаях отношений паразит-хозяин половое размножение может ускорить образование новых мультилокусных генотипов, позволяя хозяину избежать паразитов, которые адаптировались к предыдущим поколениям типичных хозяев. [14] Мутационные эффекты могут быть представлены моделями, описывающими, насколько выгодной может быть рекомбинация посредством полового размножения. Согласно мутационной детерминистской гипотезе, если частота вредных мутаций высока и если эти мутации взаимодействуют, вызывая общее снижение приспособленности организма, то половое размножение дает преимущество перед организмами, размножающимися бесполым путем, позволяя популяциям устранять вредные мутации не только более эффективно. быстро, но и максимально эффективно. [14] Рекомбинация — один из фундаментальных способов, объясняющих, почему многие организмы развились таким образом, чтобы размножаться половым путем.
Половые организмы должны тратить ресурсы на поиск партнеров. В случае полового диморфизма обычно один из полов в большей степени способствует выживанию своего потомства (обычно матери). В таких случаях единственным адаптивным преимуществом второго пола является возможность полового отбора , с помощью которого организмы могут улучшить свой генотип.
Доказательством такого объяснения эволюции пола служит сравнение скорости молекулярной эволюции генов киназ и иммуноглобулинов иммунной системы с генами, кодирующими другие белки . Гены, кодирующие белки иммунной системы, развиваются значительно быстрее. [15] [16]
Дополнительные доказательства гипотезы Красной Королевы были получены путем наблюдения за долгосрочной динамикой и коэволюцией паразитов в смешанной сексуальной и бесполой популяции улиток ( Potamopyrgus antipodarum ). Контролировались количество половых и бесполых особей, а также уровень паразитарной инфекции у обоих. Было обнаружено, что клоны, которых было много в начале исследования, со временем стали более восприимчивыми к паразитам. По мере роста паразитарных инфекций количество некогда многочисленных клонов резко сократилось. Некоторые клональные типы исчезли полностью. Между тем, популяции половых улиток со временем оставались гораздо более стабильными. [17] [18]
В 2011 году исследователи использовали микроскопического круглого червя Caenorhabditis elegans в качестве хозяина и патогенную бактерию Serratia marcescens для создания коэволюционной системы хозяин-паразит в контролируемой среде, что позволило им провести более 70 эволюционных экспериментов, проверяющих гипотезу Красной Королевы. Они генетически манипулировали системой спаривания C. elegans , заставляя популяции спариваться либо половым путем, путем самооплодотворения, либо смесью того и другого в пределах одной популяции. Затем они подвергли эти популяции воздействию паразита S. marcescens . Было обнаружено, что самооплодотворяющиеся популяции C. elegans быстро вымерли из-за совместно развивающихся паразитов, в то время как секс позволял популяциям идти в ногу со своими паразитами, что согласуется с гипотезой Красной Королевы. [19] [20]
В настоящее время среди биологов нет единого мнения относительно основных сил отбора, поддерживающих пол. Конкурирующие модели, объясняющие адаптивную функцию пола, были рассмотрены Бердселлом и Уиллсом. [21]
Эволюция старения [ править ]
Гипотеза Красной Королевы использовалась некоторыми авторами для объяснения эволюции старения. [22] [23] Основная идея заключается в том, что старению благоприятствует естественный отбор, поскольку он позволяет быстрее адаптироваться к изменяющимся условиям, особенно для того, чтобы идти в ногу с эволюцией патогенов, хищников и добычи. [23]
Межвидовая раса [ править ]
Ряд пар видов хищник/жертва соревнуются в скорости бега.«Кролик бежит быстрее лисы, потому что кролик бежит, спасая свою жизнь, а лиса бежит только за ужином». Эзоп [24] Отношения хищник-жертва могут быть установлены и в микробном мире, вызывая тот же эволюционный феномен, который происходит в случае лисиц и кроликов. В недавно наблюдавшемся примере главными героями являются M.xanthus (хищник) и E.coli (добыча), в которых можно наблюдать параллельную эволюцию обоих видов посредством геномных и фенотипических модификаций, приводящих к лучшей адаптации одного из видов в будущих поколениях. противодействует эволюция другого вида, порождая тем самым гонку вооружений, которую можно остановить только путем исчезновения одного из видов. [25]
Взаимодействия между осами-паразитоидами и личинками насекомых, необходимые для жизненного цикла осы-паразита, также являются хорошей иллюстрацией расы. Оба партнера нашли эволюционную стратегию ответом на давление, создаваемое взаимной ассоциацией линий. Например, паразитоидных ос группа Campoletis sonorensis способна бороться с иммунной системой своих хозяев Heliothis virescens ( Lepidopteran ) с помощью ассоциации полиднавируса ( PDV) ( Campoletis sonorensis PDV). В процессе откладки яиц паразитоид передает вирус ( Cs PDV) личинке насекомого. Cs PDV изменит физиологию, рост и развитие личинок инфицированных насекомых в пользу паразитоида. [26]
идеи эволюционные Конкурирующие
Конкурирующей эволюционной идеей является гипотеза придворного шута , которая указывает на то, что гонка вооружений не является движущей силой эволюции в крупном масштабе, а, скорее, является абиотическим фактором. [27] [28]
Гипотеза Черной Королевы — это теория редуктивной эволюции, которая предполагает, что естественный отбор может заставить организмы уменьшать размер своего генома. [29] Другими словами, ген, обеспечивающий жизненно важную биологическую функцию, может стать ненужным для отдельного организма, если члены его сообщества экспрессируют этот ген «утечочным» способом. Как и гипотеза Красной Королевы, гипотеза Черной Королевы представляет собой теорию коэволюции.
Публикация [ править ]
Ван Вален первоначально отправил свою статью в Журнал теоретической биологии , где она была принята к публикации. Однако, поскольку «способ обработки зависел от оплаты абонентской платы», [1] Ван Вален отозвал свою рукопись и основал новый журнал под названием «Эволюционная теория» , в котором опубликовал свою рукопись в качестве первой статьи. Благодарность Ван Валена Национальному научному фонду гласила: «Я благодарю Национальный научный фонд за то, что он регулярно отклоняет мои (честные) заявки на грант для работы над реальными организмами, тем самым вынуждая меня заниматься теоретической работой». [1]
См. также [ править ]
- Теория хаоса
- Межвидовая конкуренция
- Макроэволюция
- Прерывистое равновесие
- Гипотеза Красного Короля
- Кривая выживаемости
Ссылки [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б с д и Ван Вален, Ли (1973). «Новый эволюционный закон» (PDF) . Эволюционная теория . 1 :1–30.
- ^ Перейти обратно: а б Белл, Г. (1982). Шедевр природы: эволюция и генетика сексуальности. Калифорнийский университет Press, Беркли, 378 стр.
- ^ Перейти обратно: а б Хаутманн, Майкл (2020). «Что такое макроэволюция?». Палеонтология . 63 (1): 1–11. дои : 10.1111/пала.12465 . ISSN 0031-0239 .
- ^ Перейти обратно: а б Кэрролл, Льюис (1991) [1871]. «2: Сад живых цветов» . Зазеркалье (The Millennium Fulcrum Edition, 1.7 изд.). Проект Гутенберг . Проверено 26 сентября 2017 г.
- ^ Стэнли, Стивен М. (1979). Макроэволюция, закономерности и процесс . Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 0-7167-1092-7 . OCLC 5101557 .
- ^ Маршалл, Чарльз Р. (июнь 2017 г.). «Пять палеобиологических законов, необходимых для понимания эволюции живой биоты» . Экология и эволюция природы . 1 (6): 0165. doi : 10.1038/s41559-017-0165 . ISSN 2397-334X . ПМИД 28812640 . S2CID 37248987 .
- ^ Стэнли, Стивен М. (1985). «Темпы эволюции» . Палеобиология . 11 (1): 13–26. дои : 10.1017/S0094837300011362 . ISSN 0094-8373 . S2CID 84411092 .
- ^ . Геномные парламенты и секс с Красной Королевой. В: Александр, Р.Д., Тинкл, Д.В., ред. Естественный отбор и социальное поведение: последние исследования и новая теория. Нью-Йорк: Chiron Press, 1981, 382–402.
- ^ Дженике, Дж. (1978). «Гипотеза, объясняющая сохранение пола внутри популяции». Эволюционная теория . 3 : 191–194.
- ^ Гамильтон, штат Вашингтон; Аксельрод Р.; Танезе, Р. (1990). «Половое размножение как приспособление к сопротивлению паразитам» . Труды Национальной академии наук США . 87 (9): 3566–3573. Бибкод : 1990PNAS...87.3566H . дои : 10.1073/pnas.87.9.3566 . ПМЦ 53943 . ПМИД 2185476 .
- ^ Гамильтон, WD (1980). «Секс против непола против паразита». Ойкос . 35 (2): 282–290. дои : 10.2307/3544435 . JSTOR 3544435 .
- ^ Рабажанте, Дж.; и др. (2015). «Динамика Красной Королевы в системе взаимодействия с несколькими хостами и множеством паразитов» . Научные отчеты . 5 : 10004. Бибкод : 2015NatSR...510004R . дои : 10.1038/srep10004 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 4405699 . ПМИД 25899168 .
- ^ Рабаханте, Дж; и др. (2016). «Динамика Красной Королевы хозяин-паразит с редкими генотипами с фазовой синхронизацией» . Достижения науки . 2 (3): e1501548. Бибкод : 2016SciA....2E1548R . дои : 10.1126/sciadv.1501548 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 4783124 . ПМИД 26973878 .
- ^ Перейти обратно: а б Купер, ТФ; Ленский, Р.Э.; Елена, СФ (2005). «Паразиты и мутационная нагрузка: экспериментальная проверка плюралистической теории эволюции пола» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 272 (1560). Королевское общество : 311–317. дои : 10.1098/рспб.2004.2975 . ПМК 1634976 . ПМИД 15705557 .
- ^ Кума, К.; Ивабе, Н.; Мията, Т. (1995). «Функциональные ограничения вариаций молекул на тканевом уровне: медленно развивающиеся специфичные для мозга гены, продемонстрированные семействами супергенов протеинкиназ и иммуноглобулинов» . Молекулярная биология и эволюция . 12 (1): 123–130. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040181 . ПМИД 7877487 .
- ^ Вульф, Кхен ; Шарп, премьер-министр (1993). «Эволюция генов млекопитающих: расхождение нуклеотидных последовательностей между мышью и крысой». Журнал молекулярной эволюции . 37 (4): 441–456. Бибкод : 1993JMolE..37..441W . дои : 10.1007/BF00178874 . ПМИД 8308912 . S2CID 10437152 .
- ^ Йокела, Юкка; Дибдал, Марк; Лайвли, Кертис (2009). «Поддержание пола, клональной динамики и коэволюции хозяина-паразита в смешанной популяции половых и бесполых улиток» . Американский натуралист . 174 (с1): С43–С53. дои : 10.1086/599080 . JSTOR 10.1086/599080 . ПМИД 19441961 . S2CID 6797643 .
- ^ «Паразиты могли сыграть роль в эволюции пола» . Наука Дейли. 31 июля 2009 года . Проверено 19 сентября 2011 г.
- ^ Морран, Леви Т.; Шмидт, Оливия Г.; Геларден, Ян А. II; Пэрриш, Раймонд К.; Лайвли, Кертис М. (2011). «Бег с Красной Королевой: коэволюция хозяина-паразита выбирает двуродительский секс» . Наука . 333 (6039): 216–218. Бибкод : 2011Sci...333..216M . дои : 10.1126/science.1206360 . ПМК 3402160 . ПМИД 21737739 .
- ^ «Секс, каким мы его знаем, работает благодаря постоянно развивающимся отношениям между хозяином и паразитом, как обнаружили биологи» . Наука Дейли. 9 июля 2011 года . Проверено 19 сентября 2011 г.
- ^ Бердселл Дж. А., Уиллс С. (2003). Эволюционное происхождение и поддержание половой рекомбинации: обзор современных моделей. Серия «Эволюционная биология» >> Эволюционная биология, Vol. 33 стр. 27–137. Макинтайр, Росс Дж.; Клегг, Майкл, Т. (ред.), Спрингер. Твердый переплет ISBN 978-0306472619 , ISBN 0306472619 Мягкая обложка ISBN 978-1-4419-3385-0 .
- ^ Миттельдорф, Джош; Пеппер, Джон (2009). «Старение как адаптация для ограничения распространения болезней» . Журнал теоретической биологии . 260 (2): 186–195. Бибкод : 2009JThBi.260..186M . дои : 10.1016/j.jtbi.2009.05.013 . ISSN 0022-5193 . ПМИД 19481552 .
- ^ Перейти обратно: а б Ленарт, Питер; Бинертова-Вашку, Юлия (2016). «Идти в ногу с Красной Королевой: темп старения как адаптация». Биогеронтология . 18 (4): 693–709. дои : 10.1007/s10522-016-9674-4 . ISSN 1389-5729 . ПМИД 28013399 . S2CID 11048849 .
- ^ Докинз, Ричард. Эгоистичный ген: издание, посвященное 30-летию . Издательство Оксфордского университета, 2006, с. 250.
- ^ Наир, Рамит Р.; Вассе, Мари; Вильгосс, Себастьян; Сунь, Лей; Ю, Юэнь-Цу Н.; Велисер, Грегори Дж. «Бактериальная коэволюция хищника и жертвы ускоряет эволюцию генома и выбирает защиту добычи, связанную с вирулентностью», Nature Communications, 2019, 10:4301.
- ^ Кент, Шелби; Брюс, Уэбб (1999). «Полиднавирус-опосредованное подавление иммунитета насекомых». Журнал физиологии насекомых . 45 (5): 507–514. дои : 10.1016/S0022-1910(98)00144-9 . ПМИД 12770335 .
- ^ Бентон, Майкл Дж. (2009). «Красная Королева и придворный шут: видовое разнообразие и роль биотических и абиотических факторов во времени». Наука . 323 (5915): 728–732. Бибкод : 2009Sci...323..728B . дои : 10.1126/science.1157719 . ПМИД 19197051 . S2CID 206512702 .
- ^ Сахни, С.; Бентон, MJ; Ферри, Пенсильвания (2010). «Связи между глобальным таксономическим разнообразием, экологическим разнообразием и распространением позвоночных на суше» . Письма по биологии . 6 (4): 544–547. дои : 10.1098/rsbl.2009.1024 . ПМК 2936204 . ПМИД 20106856 .
- ^ Моррис, Джеффри Дж.; Ленски, Ричард Э.; Зинсер, Эрик Р. (23 марта 2012 г.). «Гипотеза Черной Королевы: эволюция зависимостей посредством адаптивной потери генов» . мБио . 3 (2). дои : 10.1128/mBio.00036-12 . ПМЦ 3315703 . ПМИД 22448042 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Фрэнсис Хейлиген (2000): «Принцип Красной Королевы», в: Ф. Хейлиген, К. Джослин и В. Турчин (редакторы): Principia Cybernetica Web (Principia Cybernetica, Брюссель), URL: http://pespmc1.vub. ac.be/REDQUEEN.html .
- Пирсон, Пол Н. (2001) Гипотеза Красной Королевы , Энциклопедия наук о жизни http://www.els.net
- Ридли, М. (1995) Красная Королева: Секс и эволюция человеческой природы , Penguin Books, ISBN 0-14-024548-0
- Вермей, Г.Дж. (1987). Эволюция и эскалация: экологическая история жизни. Издательство Принстонского университета, Принстон, Нью-Джерси.