Artikkel

Når en art taper terreng, går det mot slutten

Når en art taper terreng, går det mot slutten

Et av de store spørsmålene i biologien helt siden Darwins evolusjonsteori har vært: Hvorfor dør arter ut? I prinsippet skulle de jo tilpasse seg...

Arter dør ut – også uten at vi mennesker bidrar eller at kloden blir truffet av en meteor. At arter forsvinner, er en helt naturlig prosess. Dette har skapt noe hodebry for evolusjonsbiologene, for artene skal jo tilpasse seg – så hva skjer egentlig?

Men sannsynligheten for at en art dør ut, ikke er tilfeldig, slik som tidligere antatt, og den er heller ikke påvirket av tid, forklarer professor Nils Chr. Stenseth, som har vært opptatt av denne problemstillingen i mange år.

Stenseth er leder av UiOs Senter for evolusjonær og økologisk syntese (CEES) ved Institutt for biovitenskap, og i en ny forskningsartikkel publisert i Nature, har han og to kolleger lykkes med å kombinere konkurranse og miljø i en modell for hva som påvirker artenes  evolusjon og utdøingsrate.

Modellen kan kalles en revolusjon – eller kanskje en evolusjon – av evolusjonsteorien.

– Det vi ser, er at betydningen av konkurranse og miljøforhold varierer over en arts eksistens, forklarer Stenseth.

Loven for konstant utryddelse

Leigh van Valen var en evolusjonsforsker som mente at jo lengre en art har eksistert, dess større er sannsynligheten for at den blir utryddet. Problemet er bare at da han undersøkte fossile data, stemte det ikke med hypotesen. Artens ”alder” øker ikke sannsynligheten for at den forsvinner. Tvert imot ser det ut til at biologiens lover på dette punktet likner fysikkens lover med tanke på halveringstid. Dette blir kalt ”Loven for konstant utrydning”.

Dette medførte at Leigh van Valen i 1973 kom med ”Den røde dronningens hypotese” oppkalt etter den røde dronningen fra boken Through the Looking Glass – kjent som bok nummer to om Alice i Eventyrland. Dronningen forklarer Alice hvordan spillereglene er:

“Now, here, you see, it takes all the running you can do, to keep in the same place. If you want to get somewhere else, you must run at least twice as fast as that!"

Leigh van Valen brukte dette sitatet for å illustrere hvordan en art hele tiden må utvikle seg i konkurranse med andre arter for hele tiden være best tilpasset miljøet sitt. Dette så ut til å forklare mange fenomener i biologien, og spesielt mikro-evolusjon, det vil si evolusjon av enkelte trekk i løpet av relativt få generasjoner. Det gjensto imidlertid et stort paradoks: Hva med artene som tilsynelatende ikke forandrer seg i det heletatt, slik som krokodillen?

LES OGSÅ: Den røde dronningen – eventyr og evolusjon

Stasisparadokset

Dette paradokset blir ofte kalt for stasisparadokset. Undersøkelser av fossile data viser imidlertid at alle arter forandrer seg. Det er bare det at når ingen ytre faktorer som konkurranse eller endringer i miljøet skjer, vil det ikke drive evolusjonen i noen bestemt retning. En art kan utvikle større tenner eller bli bedre til å hoppe høyere. Disse egenskapene vil variere over tid og fra individ til individ, men hvis det ikke er noen fordel at tennene blir større, kan de like gjerne bli mindre igjen.

Stasisparadokset forklarer hvorfor noen arter ikke forandrer seg, men det forklarer ikke hvorfor enkelte arter dør ut. Hva er det da som kan forklare den tilsynelatende konstante utdøingsraten? Tidligere har ”Den røde dronning-hypotesen” og loven om konstant utryddelse vært sett på som motstridende, siden hypotesen viser at arter stadig er i forandring, mens utdøingsraten viser at forandringen ikke hindrer dem i å dø ut. Er det da noe poeng i å forandre seg?

Hatte-modellen

For omtrent et tiår siden undersøkte de finske forskerne Jukka Jernvall og Mikael Fortelius om det var noen mønstre knyttet til utryddelse, og det de fant var et mønster som likner en hatt.

En ny art starter ofte med få individer i et begrenset område. Dersom endringen som førte til disse individene er en suksess, vil de bli flere og spre seg. Når arten ikke lenger klarer å spre seg, altså vinne terreng, er den ikke lengre den beste konkurrenten. Det er da det begynner å gå nedover.

Alice Red Queen
Den røde dronningen fra Alice i Eventyrland har gitt navn til evolusjonshypotesen. Foto: Disney

Nils Chr. Stenseth har sett på modellen sammen med disse forskerne på nytt, og da så de noe de selv mener at de burde ha oppdaget for lenge siden. Hatte-modellen kan kobles sammen med ”Den røde dronning-hypotesen”. Når disse to modellene settes sammen, ser de at de endelig får en måte å forutsi når en art er på utryddelsens rand. Den konstante utryddelsesraten blir derfor ikke tilfeldig, slik den har vært til nå, men den kan kobles sammen med artens utbredelse, eller maksimale utbredelse.

Det vil si at de to modellene på ingen måte er motstridende og at ”Den røde dronning-hypotesen” faktisk forutsier loven om konstant utryddelse, eller – som de nå heller vil kalle den – ”loven om konstant topping” eller Hatte-modellen.

Indrė Žliobaitė, var en av forskerne som var med på den nye modellen. Hun har bakgrunn i informatikk og kreditt-analyse. Selskaper som slutter å vokse kan være en indikator på at selskapet er i ferd med å tape konkurransen, og denne likheten var kanskje det som satte dem på sporet av sammenhengen mellom en arts konkurranse-evne, påvirkende miljøfaktorer og sammenhengen mellom suksess og starten på utrydning.

Vil du ha flere forskningsnyheter om realfag og teknologi? Følg oss på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt.

Litt som spillet Risk

Det er enklere å forstå denne sammenhengen hvis man ser på det som at evolusjon handler om evnen til å vinne terreng, bokstavelig talt. Det er om å gjøre å bli flest og øke utbredelsen, og våpenkappløpet i evolusjonen handler egentlig bare om dette. Idet du ikke lengre klarer å vinne terreng, eller holde på det, er du i prinsippet i ferd med å tape, og da vil du på sikt dø ut – litt som når du spiller brettspillet Risk og ikke lenger har overmakten. Du vet at du er i ferd med å tape, men du må spille i alle fall to timer til før du faktisk har tapt. Dermed er det slik at en art ikke blir borte helt plutselig, men taper terreng over tid.

Da forskerne så på dataene, så de at miljøet var de viktigste faktorene både for en arts utryddelse og tilblivelse, mens suksessen, altså toppen av hatten, ble påvirket av konkurranse. Det vil si at arten påvirkes ulikt av konkurranse og miljøfaktorer igjennom sin eksistens. I likhet med Risk vil altså en art være avhengig av å vinne terreng og holde på det, og denne delen av artens livstid er i større grad preget av konkurranseevne.

Når en art oppstår – eller dør

Dette er best forklart dersom du ser for deg at det oppstår en helt ny vulkansk øy. Etterhvert flyr det noen fugler dit. Fuglene har spist frø, som etterhvert spirer i næringsrik fuglebæsj og vulkansk aske. Når treet eller busken vokser opp, er den først sjelden, men la oss si at det etterhvert blir flere.

Øya har begrenset omfang, så når treet har slått seg ned på hele, vil det ikke være mulig å spre seg videre. Nå kan ikke arten ekspandere videre, så artens evolusjon er sterkt preget av konkurranse. La oss nå si at en annen fugleart slår seg ned, og den har spist andre frø. Disse frøene trives bedre i vulkansk jord, og plutselig er denne arten bedre tilpasset. Dette går sakte, men sikkert ut over art nummer én, som var der først. Den hadde sin maksimale utbredelse da arten bodde der alene, men nå konkurrerer den om ressursene – og den taper med mindre den klarer å tilpasse seg enda bedre enn den andre.

Nå er det slik at de fleste arter må bygge videre på de egenskapene de allerede har. Hvis det ikke er noe i genene som den kan bygge videre på, og tilpasse, er den nok på vei ut.

Den nye modellen viser altså at konkurranse og miljø påvirker en art i ulik grad gjennom artens eksistens.

Den vitenskapelige artikkelen:

Reconciling taxon senescence with the Red Queen’s hypothesis

Nature har skrevet en kommentar til artikkelen i sin News and views-seksjon: A tip of the hat to evolutionary change

Mer på titan.uio.no:

Kommentarer

En litt annerledes formulering?

Som det går frem av artikkelen er det ikke så rart at en (eksponensiell, antar jeg?) økning i utbredelse/antall/tetthet før eller siden  flate ut pga endelige ressurser og endelig areal (begge er nødvendige), selv i mangel på konkurranse fra andre arter.

Men så til dette med konkurranse fra andre arter, ev. andre endringer i miljøet (spes. klima, i vid forstand). Er ikke sannsynligheten (per tidsenhet) for at det oppstår en slik endring konstant? Dermed blir det slik at jo lenger en art har eksistert, jo mer sannsynlig er den akkumulerte sannsynligheten for at "dødelig" konkurranse har oppstått.

Det er naturligvis mulig det oppstår konkurranse som ikke er helt dødelig - noen konkurrerende arter kan f.eks. være avhengige av en to ressurser, der en av ressursene ikke er nødvendig for den eksisterende arten. Dermed kan de eksistere sammen. Likeens med miljøendringer - som kan minke tilgjengeligheten av en nødvendig ressurs uten at den forsvinner helt.

I et forsøk på en litt mer formell beskrivelse (merk: formlene er ikke fullstendige, f.eks. skal N_a egentlig være noe i retning av k*exp((t-t_0)*T_a) etc. men jeg antar at de fleste lesere tar poengene :)

Hver art har en tidskonstant T_a som beskriver arealtetthetsøkningen/reproduksjonsraten av en art uten konkurranse men uten økning i utbredelse, slik at tettheten i et nylig befolket område utvikler seg som N_a = exp(t * T_a) inntil man når taket for bestandstetthet pga ressursknapphet. Men om det er en arealutvidelse pga "vandring", kan den beskrives med N_a = r^2 - dvs proporsjonalt med omkretsen av det allerede befolkede området,  inntil alt tilgjengelig areal  er befolket. Total bestandsøkning blir en kombinasjon av disse, en morsom likning som jeg overlater til leseren å utlede ;-). PS: jeg tror nøkkelen er å se på d(N_a)/dt for begge formlene :). Med veldig høy T_a kan man se bort i fra det leddet - puh! :)

Men samtidig er det en viss sannsynlighet (per tidsenhet) for at det oppstår en ny art som har tetthetsutvikling beskrevet som N_b = exp(t * T_b). Dersom T_b > T_a, er det en viss mulighet for at art a taper selv om den fortsatt er i en eksponensiell tetthetsøkning og ennå ikke har nådd arealbegrensningen. Og dersom vandringshastigheten for art b er større enn den for art a, kan art a dø ut selv om den fortsatt er i arealøkningsfasen - men det forutsetter at art b er i stand til å vinne (fullstendig) over art a, og ikke stopper arealtetthetsutviklingen pga mangel på andre ressurser før art a er utryddet i et bestemt område.

Vel, noen kompliserende faktorer er vel at sannsynligheten per tidsenhet for nye konkurrerende arter øker under f.eks. klimaendringer... og maks utbredelsesareal er ikke nødvendigvis klart definert (gradvis minkende tetthet av en ressurs, ev. temperatur). I noen områder kan a få overtaket ove b, de kan reagere ulikt på klimaendringer, etc. Sannsynigvis andre ting også :). Ah, jo, selv om man allerede har en konkurransesituasjon er det naturligvis fortsatt en sannsynlighet for at enda en ny art blander seg inn ;-)

Poenget her er vel at man kan beskrive den totale befolkningen vha koblede diff-likninger med rater og beskrenkninger/endringer, der det også kommer inn sannsynligheter (per tidsenhet) for endringer i beskrenkninger/oppstandelse av nye arter, etc. Dermed kan man utforske "rommet" som utspennes av mulige verdier for ratene/beskrenkningene/sannsynlighetene. For hver kombinasjon av slike verdier (eller rettere sagt for hvert par av slike verdier - ett sett for hver av de to artene) kan man simulere utvikingen, og variere dem slik at man finner sannsynligheten for de forskjellige bestandsprofilene over tid for individuelle arter.

Hilsen

Stein Vidar Haugan (astrofysiker som forhåpentligvis ikke er for mye på villspor, og med en viss anelse om at alt dette er kjente ideer innen faget :-)

Hei! Nils Chr. Stenseth skal se på kommentaren din, men akkurat nå er han bortreist med litt dårlig nettforbindelse, så det kan ta litt tid!

Hei! Nils Chr. Stenseth skal se på kommentaren din. Akkurat nå er han bortreist med litt dårlig nettforbindelse, så det kan ta litt tid!

Thank you for these thoughts and apologies for the tardy response, due to travel and holidays. The idea to model the carrying capacity of the whole system in the context of hat patterns is good.   In our simplified version we do not model the diversification process as such, but focus on how trajectories of individual taxa behave (with respect to competition and extinction) in an adaptive biological zone.  One could, in principle, extend it to characterising the whole system in some way such as you suggest. We agree that it would be a natural follow-up.

 

We would also like to comment on your mathematical framework for modelling population growth and densities (T_a and N_a). In the Red Queen’s world, resources are always fully occupied (new resources become available either through environmental change, extinction, or evolution unlocking new resources): therefore, all else being equal, differential growth of competing species (as in the example N_a and N_b), should not occur without decline of other species – the key issue in the Red Queen’s world.

 

If we speculate beyond our study, we would expect growth in environments with not fully occupied resources, such as, for instance, environments after mass extinctions.  In that case species a competes with species b to some extent, but one species’ gain does not necessarily translate to an equivalent loss for all other species. Yet, it should be fully possible, as you suggest, that a faster growing species outcompetes a slower in such circumstances. Modelling the system under partially occupied resources, such as recovery after mass extinctions, is indeed another interesting direction for follow up research, certainly to an extent going beyond the Red Queen’s realm.

 

Indrė, Mikael and Nils

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Hunnene av den sørlige vågehvalen kan veie opptil 14 tonn, men nå er de blitt magrere.

Endelig enighet om at den sørlige vågehvalen er blitt avmagret

De sørlige vågehvalene, som lever i havområdene rundt Antarktis, har vært gjennom en kraftig avmagring etter 1988. Men det skulle ta 11 år med diskusjoner, og til sist en heftig innsats fra norske statistikere, før Den internasjonale hvalfangstkommisjonen kom fram til den konklusjonen.

Brecht Verstraete og Hugo de Boer

Identifiserer planterester ved hjelp av "strekkoder" i DNA

Hugo de Boer og Brecht Verstraete ved Naturhistorisk museum skal bruke DNA-teknologi og molekylære metoder til å utvikle nye, raskere og enklere metoder for sikker identifisering av planter og planterester. Både tollvesenet og tilsynsmyndigheter i mange land er interessert i denne forskningen, som kan brukes til å avsløre svindel.

Andreas Carlson med de magiske dråpene som gjør at overflater kan endre egenskaper

Ny type materialer har overflate med justerbare egenskaper

Nå kommer en ny type materialer hvor overflatens egenskaper kan varieres ved å justere et magnetfelt. Da kan materialet gjøre så forskjellige ting som å fjerne biofilmer, pumpe små væskestrømmer, flytte små partikler – eller fungere som et lim som slås av og på.

Reidunn Aalen med planteforskernes

– Blader, frukt og frø detter ikke ned av seg selv!

– Tenk om bøndene kunne redigere genene i plantene de dyrker, slik at frukter og frø felles mer koordinert enn i dag. Da kunne vi få mye større avlinger enn i dag uten å øke arealene eller gjødslingen, sier professor Reidunn Aalen. Den drømmen har kommet nærmere etter at Aalen og kollegene har funnet en gruppe gener som er minst 175 millioner år gamle.