Эволюция в малых масштабах сглаживает лоскутные узоры распространения растений и животных

Дугласова пихта — высокое знаковое хвойное дерево в Западной Северной Америке, образующее непрерывный лес от западных хребтов Британской Колумбии до мексиканской Кордильеры. Условия в Канаде и Мексике очевидно различны, но даже на гораздо меньших масштабах — например, вершина горы по сравнению с долиной ниже — осадки, температура, почвенные питательные вещества и десятки других факторов могут сильно варьироваться. Дугласова пихта хорошо растёт во многих таких местах, превращая разнообразный ландшафт в один сплошной лес со всеми поддерживаемыми им видами.

Раньше считалось, что эта пихта просто очень вынослива. Однако последние исследования показывают, что не только условия среды определяют, где живут растения и животные, и лоскутные узоры их распространения. На эти пространственные паттерны также влияет эволюция.

Со временем виды часто адаптируются к местным условиям, и эти адаптации меняют то, как и где они могут жить. Например, дугласовы пихты могут адаптироваться, чтобы процветать как на сухом горном склоне, так и в влажной долине поблизости. Но учёные пошли дальше, исследуя не только то, как организмы адаптируются, но и то, как сам процесс адаптации может оказывать глубокое влияние на паттерны их распространения в ландшафте.

Без адаптации можно было бы наблюдать смешанный лоскутный узор: вид насекомых живёт в долине, но не на горе. Когда дугласовы пихты адаптируются и растут как на сухой горе, так и во влажной долине, они создают одну непрерывную лесную среду обитания там, где раньше существовали два разных ландшафта. Птицы, насекомые, олени, цветы и все другие организмы, живущие в лесу, теперь также могут занимать и долину, и вершину горы. Адаптация дугласовой пихты создала более сглаженное распределение видов. Адаптация, по-видимому, играет большую роль в определении экологических паттернов, чем считалось ранее.

Загадка саламандры

В 1999 году, будучи начинающим аспирантом в Коннектикуте, автор исследования хотел понять, как хищник — мраморная амбистома — влияет на выживание более мелкой жёлтопятнистой амбистомы в небольших временных прудах. Мраморная амбистома — ключевой хищник, и всего несколько особей в пруду могут определять, какие другие виды там живут.

Наблюдения выявили загадочную картину. В одном пруду жёлтопятнистые саламандры выживали вместе с хищником. Но в соседнем пруду, в почти идентичных условиях, пятнистые саламандры быстро становились экскрементами хищника. Экологического объяснения этому не находилось.

Чтобы выяснить причину, учёный собрал яйца саламандр из прудов, где мелкие саламандры выживали вместе с хищником, и из прудов без хищников. Вырастив их в отдельных ёмкостях, он обнаружил удивительное различие. Саламандры из прудов с хищником адаптировались к нему, становясь прожорливыми — "ешь и становись большим, чтобы тебя не съели".

В этих небольших прудах локальная адаптация создала популяции пятнистых саламандр с очень разным поведением, позволяющим им выживать при хищничестве мраморной амбистомы.

Адаптация как причина, а не среда?

В последующие годы экологи начали признавать, что эволюция может происходить очень быстро. В одном классическом эксперименте учёные поместили в резервуар водоросли и микроскопического травоядного. Сначала наблюдались циклы взлёта и падения численности, но уже через несколько недель водоросли эволюционировали, выработав защиту от поедания, что остановило резкие колебания численности популяций.

Это навело на мысль: если эволюция влияет на популяционные паттерны во времени, возможно, она также может влиять на паттерны распределения видов в пространстве.

Вернувшись к исследованию саламандр, учёный заинтересовался не только тем, как они адаптируются к своей экосистеме, но и тем, как их адаптации изменяют саму экосистему. Он снова вырастил саламандр из прудов с хищниками и без них в одинаковых условиях, но на этот раз отслеживал, что происходит с другими видами в созданных им искусственных экосистемах.

Мраморные амбистомы-хищники едят мелких ракообразных. Но жёлтопятнистые саламандры, адаптировавшиеся к хищникам, тоже стали есть больше этих ракообразных. Адаптация жёлтопятнистых саламандр привела к резкому сокращению численности ракообразных в прудах. Эксперимент показал, что эта адаптация усиливала различия в количестве ракообразных между прудами с хищником и без него. В этом случае адаптация делала два пруда более разными, чем они были бы без неё.

Сравнив эксперименты с наблюдениями в природных прудах, учёный понял, что обнаружил причину тех загадочных паттернов, которые видел годами ранее. Локальная адаптация, а не только среда или другие виды, усиливала различия между этими прудами.

Адаптация как универсальный эффект

Возник вопрос: если этот эффект наблюдается у саламандр, может ли локальная адаптация также усиливать или ослаблять пространственные экологические паттерны у других видов? Является ли это широко распространённым явлением?

Для ответа потребовались данные о существах со всего мира. Команда биологов проанализировала тысячи прошлых исследований — от бактерий до птиц — в поисках доказательств того, что локальная адаптация меняет пространственные паттерны этих видов.

Команда собрала информацию из 500 исследований за последние 100 лет. Было обнаружено, что, как и в случае с саламандрами, адаптация иногда делает существующие различия между местами ещё больше, чем можно было бы ожидать без эволюции.

Адаптация также может создавать паттерны там, где их раньше не было. Широко распространённые растения, такие как золотарник и осина, часто эволюционируют, вырабатывая химическую защиту, которая меняет спектр насекомых, способных их есть. Адаптация создаёт новые лоскутные узоры численности и разнообразия насекомых на полях и в лесах, которых иначе бы не существовало.

Однако в 85% случаев адаптация ослабляла существующие пространственные экологические паттерны. Организмы — от скромной яблонной пестрокрылки до величественной дугласовой пихты — адаптировались таким образом, что снижали изменчивость ландшафтов, в которых они жили. Адаптация в малых пространственных масштабах сглаживала лоскутность лесов и лугов, заселяя и холмы, и долины одними и теми же деревьями, птицами, насекомыми и другими организмами. Благодаря адаптации мир в целом более однороден, чем был бы без неё.

Таким образом, многие природные паттерны отражают скрытую руку эволюции, которая разгладила складки и оставила мир более сглаженным местом.