Що е то коеволюция

Съгласно теорията на еволюцията, с течение на времето живите същества се видоизменят под въздействието на външната среда. Обикновено под фактори на естествения подбор се разбират, например, климата, наличието на храна или достъпността на водата. Обаче понятието “външна среда” може да включва в себе си и други живи същества. Измененията в един организъм може да доведат до изменения в друг. Тези изменения, на свой ред да предизвикат изменения в първия организъм и т.н. Както споменахме в предишната тема, усъвършенстването на оръжията на хищника води до усъвършенстване на защитата на жертвата увличайки се в своеобразна “надпревара във въоръжаването“. Това взаимно приспособяване се нарича коеволюция.

Схема: bgchaos.com (плъзнете мишката по таблицата)

Любопитно е, че креационистите дават коеволюцията като аргумент срещу теорията на еволюцията (“Как така два организма се оказват толкова тясно свързани, че дори не могат дори да съществуват един без друг?” – WONDERS OF DESIGN ). Това, което не могат или не искат да разберат е, че коеволюцията се извършва на малки стъпки, като всеки един от участниците в нея всеки път все повече се нагажда към другия (което съм се опитала да покажа в горната табличка), а не става изведнъж.

Коеволюцията може да се прояви в различни форми.

• взаимодействие организъм – физическа среда:
  • Организмът може да повлие на физическата среда. Дадохме много примери за това в темите за хипотезата “Гея” на Лавлок.

В този смисъл физическата среда и живите организми се развиват в една глобална коеволюция. За разлика от теорията на Лавлок, коеволюцията предполага определена автономия на партньорите. В рамките на такава организмоподобна система като Гея, живото и неживото са само условно разделени за наблюдателя като кратковременни преминаващи едно в друго състояние на единен цикличен самопродуциращ се процес, напомнящ процесите вътре в живата клетка. За Дж. Лавлок Гея е поглед към Земята от космоса, а цялата ни планета е самоподържаща се жива организация (автопоезис).

• Физическите изменения в средата (напр. промените на времето) водят до адаптация или изменения в поведението на организма.

Важно е да се обърне внимание на закъсняването на еволюционния отговор на предизвикателството на средата, защото е необходимо определено време - лаг (от англ. – изоставане), за да може организмът да “настигне” ставащата промяна в околната среда. Нееднородността на обитаваната среда, генотипиното разнообразие и лага на еволюционния “отговор” на предизвикателството на средата означава, че организмите не могат да са абсолютно приспособени към живота в своята ниша.

• взаимодействие организъм – организъм, може да бъде:

• с индивиди от своя собствен вид, конкурентен или мутуалистичен вид
• с вид “жертва” (стоящ по-ниско в хранителната верига), с вид “хищник” (по-високо в хранителната верига), с неутрален вид (на същото ниво) и с индивиди от същото семейство.

Взаимоотношението между два еволюиращи вида също включва определен лаг, необходим единия вид да “догони” ставащите в другия вид изменения.

Теория на игрите

В съвременната биология и икономика такива взаимодействия се разглеждат в математическата дисциплина теория на игрите и се описват с понятието равновесието на Наш (Nash `s Equilibrium) или “Еволюционно стабилни стратегии” (ESS)

За Джон Ф. Наш, прототипът на героя от филма “Красив ум”, може да прочете тук.

В Теорията на игрите, равновесието на Наш е оптималната стратегия за игра, включваща двама или повече играчи, като накрая всички играчи постигат взаимна максимална полза.

Ако в една игра съществува ситуация, при която никой играч не може да подобри състоянието си докато другите продължават своята текуща стратегия, то тази ситуация е равновесието на Наш.

Това води до повтарящо се поведение (циклични атрактори), макар че в естествения свят положението е по-сложно и устойчивостта в най-добрия случай е временна заради големия брой влияния. Тези влияния могат да са многообразни, т. е. те могат да са ефект от няколко взаимодействащи си външни фактори или нужди на организма.

Синергетиката като коеволюция на сложни системи

Коеволюцията е елемент на синергетиката, която разглежда съвместното функциониране на системите.
Част от синергетичния модел, разработен от Хакен е кохерентността (съгласуване) и принципа на цикличната причинност.

Коеволюционните етапи на развитие на живите структури става посредством дифузионни, дисипативни процеси, проява на хаоса. Кохерентно свързани структури има както в симбиозните и екологичните системи, така и в обществените – икономически, технологични и културни.

Общите черти на коеволюционни ефекти присъстват в някаква степен във всяка сложна система. За да се изгради сложна организация е необходимо кохерентно да се съединят подструктурите вътре в нея, да се синхронизира темпа на еволюцията им. В резултат на организирането си в структура те попадат в един автономен фрагмент от битието със свое вътрешно време, започват “да живеят” в единен ритъм.
Коеволюцията в крайна сметка е израз на еволюционната хармония на биосферата.

На ръба на хаоса

Според Стюарт Кауфман, биологичните системи съществуват в динамично устойчиво състояние на границата между хаотичен режим и твърдо подредено статично състояние. Състоянието “на ръба на хаоса", в което системата спонтанно преминава в процеса на еволюцията (“самоорганизираща се критичност”) се характеризира с типични синергетични свойства – съгласуваност на локалните и глобални процеси, интензивно съгласуване на взаимодействието на компонентите и др. В такова състояние системата притежава най-голяма лабилност и способност за еволюционни изменения .

За да се изгради сложна структура е необходимо да се създаде ситуация “на ръба на хаоса”, когато малки флуктуации са способни да инициират фазов преход, да тласнат системата в друго състояние, да се зададе друг път на процеса на морфогенеза (развитие на нови, различни форми и структури в организмите), друг начин на сглобяване на сложното цяло (организма). Кауфман твърди:

“Самата природа на коеволюцията се състои в достигането на ръба на хаоса”.

Установено е, че коеволюиращите системи естественно регулират своите параметри, разширявайки общата групова пригодност. Те преминават от статичен или хаотичен режим до състоянието “на ръба на хаоса”, със сложна смес от поведения с фрактална структура както в пространството така и във времето.

Хипотезата “Червената кралица”

Хипотезата “Червената кралица” (The Red Queen) на Ван Вален (Van Valen 1973) гласи:

Всяко прогресивно изменение на всеки вид в екосистемата води до влошаване условията за другите видове и за да преживеят, всички видове трябва да еволюират заедно и непрекъснато “да бягат”, за да останат на същото място.

— Много е бавна вашата страна! — отвърна Царицата. — У нас, виждаш ли, тичаш, колкото можеш, за да останеш на същото място. Ако пък искаш да идеш другаде, трябва да тичаш два пъти по-бързо. Луис Карол – Алиса в огледалния свят Всеки знае, че в “Алиса в огледалния свят” става въпрос за шах, но как “Черната царица” е станала “Червена кралица” не ми е ясно. Ще използвам термина “Червена кралица”, защото той се е установил като понятие в биологията.

Илюстрация: alice-in-wonderland

Известният палеонтолог Л. Ван Вален разглежда биосферата като царство на Червената кралица – колкото видове изчезват, толкова и се появяват нови и общото разнообразие не се изменя [Van Valen, 1984].

В историята на биосферата несъмнено има период на начален ръст на разнообразието, след което то се стабилизира на определено ниво. В палеонтоложката хронология има отчетливо изразени периоди, през които разнообразието пада значително по-ниско от обичайното ниво и едновремено става смяна на доминиращите групи. Тези граници са толкова очевидни, че още в миналия век геолозите са установили естествената периодизация на земната история, подразделяйки я на ери, периоди, епохи.

Едно от следствията на хипотезата е, че при плътно коеволюционно взаимодействие, развиващото се изменение на един вид (например, жертва или гостоприемник), ще доведе до изчезване на другия вид (напр. хищник или паразит) и затихването може да бъде сравнително константна величина милиони години. На графиката вдясно е отразено времето за преживяване на изчезналите родове от класа Echinoidea (морски таралежи). Линейното съотношение между броя на родовете и логаритъма на времето им на живот показва, че затихването на разнообразието на този клас от появата им през Палеозоя до наши дни е константа във времето. Тук може да видите в картинки хронологичното развитие на морските таралежи.

Благодарете на паразитите за секса

Друго следствие на хипотезата, отнасящо се за двойката паразитит-гостоприемник изтъква Мат Ридли в книгата си “Произходът на добродетелите”. Според него сексуалните предпочитания и линии на поведение са се развили благодарение на борбата с болестотворните бактерии и вируси. При видове, където безполото възпроизвеждане е възможно (при много водорасли и безгръбначните), коеволюционното взаимодействие с паразитите води до предпочитане на сексуалното възпроизвеждане на приемниците.

Организмите, размножаващи се по полов път, се опитват да объркат патогенните микроорганизми. Например, патогенният микроб си е изработил способност да се закрепва на някакъв клетъчен рецептор и чрез него да прониква в клетката, където да предизвика болест. Но в хода на постоянната репродуктивна рекомбинация на гените на организма-гостоприемник тези молекулярни врати пред микробите се затварят и им се налага отново да търсят ключ за тях.

Всъщност Ридли не е първият, който свързва хипотезата за Червената кралица със секса, а W.D. Hamilton и John Jaenike са най-ранните пионери на идеята.

	Гепардът и газелата
		Гепардът е тясно специализиран убиец. Той е станал най-бързото животно на Земята за да може да настига Томпсъновата газела. Двете животни се развиват в тандем като пример за коеволюция. Газелата е бърза, така че гепардът трябва да стане по-бърз за да я хване, после газелата още по-бърза за да избяга, а гепардът още по-бърз за да я стигне. И етап след етап стигат определено ниво, след което развитието не е изгодно и на двете животни. Така 20 минути след като убие газелата, гепардът е така изморен, че не може да се възползва от жертвата си и докато си почива, лъвове и хиени понякога не само му отмъкват плячката, но даже убива изчерпалия силите си гепард. За да се увеличи бързината се удължават крайниците и се олекотяват костите. Това повишава риска от счупване на костите. По-бързи крака – повече мускулна маса – по-голямо сърце. Спринтът изисква много енергия, която трудно се набавя и изисква често хранене. Все пак процесът не може да ескалира до безкрай.

Случая с двойката гепард – газела се проявява като типичен за ефекта “Червената кралица”. В течение на своята еволюция и двата вида стават все по-добри ловци и съответно по-ловко изплъзващи се, т.е. повишават своята абсолютна, обективна пригодност, но те не подобряват своята относителна пригодност един спрямо друг. Те живеят в страната на “Червената кралица”, където колкото и силно да бягаш, оставаш на едно и също място.

Източник:
Проблема коэволюции или сингенеза, Б.Б.Родендорф
Research at the Institute of Biology, Regensburg, Coevolution
Understanding Evolution For Teachers Coevolution, University of California Museum of Paleontology
Коэволюционная парадигма и современная биология
Autopoiesis and Coevolution, Chris Lucas
ИГР ТЕОРИЯ
Коэволюция, Природа науки
Теорема о маргинальных значениях, Природа науки
Coevolution between a Host and Parasite
Evolution, ageing and speciation: Monte Carlo simulations of biological systems
Coevolution between hosts and parasites: the Red Queen hypothesis, Mark F. Dybdahl, School of Biological Sciences, Washington State University
Морские ежи (класс Echinoidea)