Красная Королева гипотеза , также упоминается как Красная Королева , в силу Красной Королевы , в модели Красной королевы , расы Красной Королевы , и динамика Red Queen , является гипотеза в эволюционной биологии , которая предполагает , что виды должны постоянно адаптироваться , как развивается , и пролиферируют в чтобы выжить, сражаясь с постоянно развивающимися противоборствующими видами. Гипотеза была предназначена для объяснения постоянной (не зависящей от возраста) вероятности исчезновения, наблюдаемой в палеонтологической летописи, вызванной совместной эволюцией между конкурирующими видами ; [1]однако было также высказано предположение, что гипотеза Красной Королевы объясняет преимущество полового размножения (в отличие от бесполого размножения ) на уровне особей [2] и положительную корреляцию между темпами видообразования и вымирания в большинстве более высоких таксонов. [3]
Источник
Ли Ван Вален предложил эту гипотезу как «объяснительную касательную» для объяснения «закона вымирания» (известного как «закон Ван Валена») [1], который гласит, что вероятность вымирания не зависит от продолжительности жизни вида ( или таксон более высокого ранга), вместо того, чтобы быть постоянным в течение миллионов лет для любого данного таксона. Однако вероятность исчезновения сильно зависит от адаптивных зон , потому что разные таксоны имеют разную вероятность исчезновения. [1] Другими словами, вымирание происходит случайно по возрасту, но не случайно 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, движимой межвидовой конкуренцией : эволюционный прогресс (= повышение приспособленности ) одного вида ухудшает приспособленность сосуществующих видов, но поскольку сосуществующие виды также развиваются, ни один вид не развивается. получает долгосрочное улучшение физической формы, а общая работоспособность системы остается постоянной. Название феномена происходит от заявления, которое Красная Королева сделала Алисе в « Зазеркалье» Льюиса Кэрролла в своем объяснении природы Зазеркалья:
Итак, вот , видите ли, нужно все, что вы можете сделать, чтобы оставаться на том же месте. [4]
Ван Вален выдвинул гипотезу «Красная королева», потому что в соответствии с этой интерпретацией виды должны «бежать» или развиваться, чтобы оставаться в одном месте, иначе они вымрут.
Примеры
Положительная корреляция между темпами видообразования и вымирания (правило Стэнли)
Палеонтологические данные показывают, что высокая скорость видообразования коррелирует с высокой скоростью исчезновения почти всех основных таксонов. [5] [6] Эта корреляция была приписана ряду экологических факторов, [7] но она также может быть результатом ситуации с Красной Королевой, в которой каждое событие видообразования в кладе ухудшает приспособленность сосуществующих видов в одной и той же кладе. (при наличии консерватизма филогенетической ниши ). [3]
Эволюция пола
Обсуждение эволюции пола не было частью гипотезы Ван Валена о Красной Королеве, которая рассматривала эволюцию в масштабах выше уровня вида. Микроэволюционная версия гипотезы Красной Королевы была предложена Беллом (1982), также цитируя Льюиса Кэрролла, но не цитируя Ван Валена.
Гипотеза Красной Королевы независимо используется Хартунгом [8] и Беллом для объяснения эволюции пола [2] , Джоном Джейнике для объяснения поддержания пола [9] и У. Д. Гамильтоном для объяснения роли пола 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 изменяющихся условиях. Следовательно, Коэволюционное взаимодействие между хозяином и паразитом, например, может выбрать для полового размножения в хостах, чтобы уменьшить риск заражения. Колебания частот генотипов наблюдаются между паразитами и хозяевами антагонистическим коэволюционным путем [12], без необходимости изменения фенотипа. При совместной эволюции нескольких хозяев и нескольких паразитов динамика Красной Королевы может повлиять на то, какие типы хозяев и паразитов станут доминирующими или редкими. [13] Научный писатель Мэтт Ридли популяризировал термин в связи с половым отбором в своей книге 1993 года «Красная королева» , в которой он обсуждал дебаты теоретической биологии об адаптивных преимуществах полового размножения для тех видов, у которых оно появляется. Связь Красной Королевы с этими дебатами проистекает из того факта, что традиционно принятая гипотеза наместника Брея показала адаптивную выгоду только на уровне вида или группы, а не на уровне гена (хотя многообещающий "наместник 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, постулируя, 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 вовлечены в агрессивные биотические взаимодействия, такие как взаимодействия хищник-жертва или паразит-хозяин. В случаях отношений паразит-хозяин половое размножение может ускорить производство новых мультилокусных генотипов, позволяя хозяину ускользать от паразитов, которые адаптировались к предыдущим поколениям типичных хозяев. [14] Мутационные эффекты могут быть представлены моделями для описания преимуществ рекомбинации через половое размножение. Согласно мутационной детерминированной гипотезе, если частота вредных мутаций высока, и если эти мутации взаимодействуют, вызывая общее снижение приспособленности организма, то половое размножение дает преимущество перед бесполым размножением организмов, позволяя популяциям устранять вредные мутации, а не только более. быстро, но и наиболее эффективно. [14] Рекомбинация - одно из основных средств, объясняющих, почему многие организмы эволюционировали для размножения половым путем.
Половые организмы должны тратить ресурсы, чтобы найти себе пару. В случае полового диморфизма обычно один из полов больше способствует выживанию своего потомства (обычно матери). В таких случаях единственным адаптивным преимуществом наличия второго пола является возможность полового отбора , с помощью которого организмы могут улучшить свой генотип.
Доказательством этого объяснения эволюции пола является сравнение скорости молекулярной эволюции генов киназ и иммуноглобулинов в иммунной системе с генами, кодирующими другие белки . Гены, кодирующие белки иммунной системы, развиваются значительно быстрее. [15] [16]
Дальнейшие доказательства гипотезы Красной Королевы были предоставлены путем наблюдения за долгосрочной динамикой и коэволюцией паразитов в смешанной половой и бесполой популяции улиток ( Potamopyrgus antipodarum ). Отслеживали количество половых, количество бесполых и уровень паразитарных инфекций для обоих. Было обнаружено, что клоны, которых было много в начале исследования, со временем стали более восприимчивыми к паразитам. По мере роста числа паразитарных инфекций количество некогда многочисленных клонов резко сократилось. Некоторые клональные типы полностью исчезли. 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 паразит-хозяин 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 половым путем, путем самооплодотворения или их смеси в пределах одной популяции. Затем они подвергли эти популяции паразиту S. marcescens . Было обнаружено, что самооплодотворяющиеся популяции C. elegans быстро вымерли из-за одновременной эволюции паразитов, в то время как пол 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. Бёрдселл и Уиллс рассмотрели конкурирующие модели, объясняющие адаптивную функцию пола. [21]
Эволюция старения
Гипотеза Красной Королевы также использовалась некоторыми авторами для объяснения эволюции старения. [22] [23] Основная идея состоит в том, что старению способствует естественный отбор, поскольку он позволяет быстрее адаптироваться к изменяющимся условиям, особенно для того, чтобы идти в ногу с эволюцией патогенов, хищников и жертв. [23]
Межвидовая гонка вооружений
- Число пар хищник / жертва, где задействовано оружие, - это скорость бега.
«Кролик бежит быстрее лисы, потому что кролик бежит, спасая свою жизнь, а лиса бежит только на обед». Эзоп [24] Отношения хищник-жертва также могут быть установлены в микробном мире, вызывая тот же эволюционный феномен, который происходит в случае лисиц и кроликов. Недавно наблюдаемый пример включает в себя протагонистов M.xanthus (хищник) и E.coli (жертва), в которых параллельная эволюция обоих видов может наблюдаться посредством геномных и фенотипических модификаций, приводящих в будущих поколениях к лучшей адаптации одного из видов, который ему противодействует эволюция другого, что порождает гонку вооружений, которая может быть остановлена только исчезновением одного из видов. [25]
- Взаимодействие между паразитоидными осами и личинками насекомых, необходимое для жизненного цикла паразитических ос, также является хорошей иллюстрацией гонки вооружений. В самом деле, оба партнера нашли некоторую эволюционную стратегию для ответа на давление, создаваемое взаимным объединением родословных. Например, паразитоидная группа ос , Campoletis sonorensis , способна бороться против иммунной системы своих хозяев, Heliothis virescens ( Lepidopteran ) с ассоциацией полиднавируса (PDV) ( Campoletis sonorensis PDV). В процессе откладки яиц паразитоид передает вирус ( Cs PDV) личинке насекомого. Cs PDV изменяет физиологию, рост и развитие личинок инфицированного насекомого в пользу паразитоида. [26]
Гипотеза придворного шута
Конкурирующая эволюционная идея - это гипотеза придворного шута , которая указывает на то, что гонка вооружений не является движущей силой крупномасштабной эволюции, а, скорее, это абиотические факторы. [27] [28]
Гипотеза Черной Королевы
Гипотеза Черной королевы - это теория редуктивной эволюции, которая предполагает, что естественный отбор может заставить организмы уменьшать размер своего генома. [29] Другими словами, ген, который обеспечивает жизненно важную биологическую функцию, может стать незаменимым для отдельного организма, если члены его сообщества экспрессируют этот ген «дырявым» способом. Как и гипотеза Красной Королевы, гипотеза Черной Королевы - это теория коэволюции.
Мелочи
Первоначально Ван Вален отправил свою статью в Журнал теоретической биологии , где она была принята к публикации. Однако, поскольку «способ обработки зависел от оплаты страницы», [1] Ван Вален отозвал свою рукопись и основал новый журнал под названием « Эволюционная теория », в котором он опубликовал свою рукопись в качестве первой статьи. Журнал «Эволюционная теория» выпускался в офисе Ван Валенса на фотокопировальной машине под девизом «субстанция важнее формы».
Еще одна примечательная деталь - это благодарность Ван Валена Национальному научному фонду : «Я благодарю Национальный научный фонд за регулярный отказ от моих (честных) заявок на грант для работы с реальными организмами, что вынудило меня заняться теоретической работой». [1]
Смотрите также
- Макроэволюция
- Теория хаоса
- Прерывистое равновесие
- Межвидовая конкуренция
- Гипотеза Черной Королевы
- Гипотеза Красного Короля
Рекомендации
- ^ a b c d e Ван Вален, Ли (1973). «Новый эволюционный закон» (PDF) . Эволюционная теория . 1 : 1–30.
- ^ а б Белл, Г. (1982). Шедевр природы: эволюция и генетика сексуальности. Калифорнийский университет Press, Беркли, 378 стр.
- ^ а б Хаутманн, Майкл (2020). «Что такое макроэволюция?» . Палеонтология . 63 (1): 1–11. DOI : 10.1111 / pala.12465 . ISSN 0031-0239 .
- ^ а б Кэрролл, Льюис (1991) [1871]. «2: Сад живых цветов» . В Зазеркалье (The Millennium Fulcrum Edition 1.7 ed.). Проект Гутенберг . Проверено 26 сентября 2017 года .
- ^ Стэнли, Стивен М. (1979). Макроэволюция, закономерность 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» . Природа, экология и эволюция . 1 (6): 0165. DOI : 10.1038 / s41559-017-0165 . ISSN 2397-334X . PMID 28812640 . S2CID 37248987 .
- ^ Стэнли, Стивен М. (1985). «Темпы эволюции» . Палеобиология . 11 (1): 13–26. DOI : 10.1017 / S0094837300011362 . ISSN 0094-8373 .
- ^ . Геномные парламенты и секс с красной королевой. В: Александр, RD, Tinkle, DW, Eds. Естественный отбор и социальное поведение: недавние исследования и новая теория. Нью-Йорк: Chiron Press, 1981, 382-402.
- ^ Jaenike, J. (1978). «Гипотеза для объяснения поддержания пола в популяциях». Эволюционная теория . 3 : 191–194.
- ^ Гамильтон, WD; Axelrod, R .; Танезе, Р. (1990). «Половое размножение как приспособление к сопротивлению паразитам» . Труды Национальной академии наук США . 87 (9): 3566–3573. Bibcode : 1990PNAS ... 87.3566H . DOI : 10,1073 / pnas.87.9.3566 . PMC 53943 . PMID 2185476 .
- ^ Гамильтон, WD (1980). «Секс против несексуального против паразита». Ойкос . 35 (2): 282–290. DOI : 10.2307 / 3544435 . JSTOR 3544435 .
- ^ Rabajante, J .; и другие. (2015). «Динамика Красной Королевы в системе взаимодействия нескольких хостов и нескольких паразитов» . Научные отчеты . 5 : 10004. Bibcode : 2015NatSR ... 510004R . DOI : 10.1038 / srep10004 . ISSN 2045-2322 . PMC 4405699 . PMID 25899168 .
- ^ Rabajante, J; и другие. (2016). «Хозяин-паразит динамика Красной Королевы с синхронизированными по фазе редкими генотипами» . Наука продвигается . 2 (3): e1501548. Bibcode : 2016SciA .... 2E1548R . DOI : 10.1126 / sciadv.1501548 . ISSN 2375-2548 . PMC 4783124 . PMID 26973878 .
- ^ а б Купер, Т.Ф .; Ленский, Р. Э .; Елена, СФ (2005). «Паразиты и мутационная нагрузка: экспериментальная проверка плюралистической теории эволюции пола» . Труды Королевского общества B: биологические науки . Королевское общество . 272 (1560): 311–317. DOI : 10.1098 / rspb.2004.2975 . PMC 1634976 . PMID 15705557 .
- ^ Kuma, K .; Iwabe, N .; Мията, Т. (1995). «Функциональные ограничения против вариаций молекул на тканевом уровне: медленно развивающиеся специфические для мозга гены, демонстрируемые супергенными семействами протеинкиназ и иммуноглобулинов» . Молекулярная биология и эволюция . 12 (1): 123–130. DOI : 10.1093 / oxfordjournals.molbev.a040181 . PMID 7877487 .
- ^ Wolfe, KH ; Шарп, PM (1993). «Эволюция генов млекопитающих: расхождение нуклеотидных последовательностей между мышами и крысами». Журнал молекулярной эволюции . 37 (4): 441–456. Bibcode : 1993JMolE..37..441W . DOI : 10.1007 / BF00178874 . PMID 8308912 . S2CID 10437152 .
- ^ Йокела, Юкка; Дибдал, Марк; Живой, Кертис (2009). «Поддержание пола, клональной динамики и коэволюции паразитов-хозяев в смешанной популяции половых и бесполых улиток» . Американский натуралист . 174 (s1): S43 – S53. DOI : 10.1086 / 599080 . JSTOR 10.1086 / 599080 . PMID 19441961 .
- ^ «Паразиты могли сыграть роль в эволюции пола» . Science Daily. 31 июля 2009 . Проверено 19 сентября 2011 года .
- ^ Морран, Леви Т .; Schmidt, Olivia G .; Геларден, Ян А., II; Пэрриш, Раймонд С.; Лайвли, Кертис М. (2011). «Бег с Красной Королевой: Коэволюция паразита и хозяина выбирает для обоюдного родителя пол» . Наука . 333 (6039): 216–218. Bibcode : 2011Sci ... 333..216M . DOI : 10.1126 / science.1206360 . PMC 3402160 . PMID 21737739 .
- ^ «Секс - как мы его знаем - работает благодаря постоянно развивающимся паразитно-паразитарным отношениям, как выяснили биологи» . Science Daily. 9 июля 2011 . Проверено 19 сентября 2011 года .
- ^ Birdsell JA, Wills C (2003). Эволюционное происхождение и поддержание половой рекомбинации: обзор современных моделей. Серия «Эволюционная биология» >> Эволюционная биология, Vol. 33 с. 27-137. Макинтайр, Росс Дж .; Клегг, Майкл, Т. (ред.), Спрингер. Твердый переплет ISBN 978-0306472619 , ISBN 0306472619 Softcover ISBN 978-1-4419-3385-0 .
- ^ Миттельдорф, Джош; Пеппер, Джон (2009). «Старение как приспособление для ограничения распространения болезни». Журнал теоретической биологии . 260 (2): 186–195. DOI : 10.1016 / j.jtbi.2009.05.013 . ISSN 0022-5193 . PMID 19481552 .
- ^ а б Ленарт, Питер; Биенертова-Вашку, Юлия (2016). «Не отставать от Красной Королевы: темп старения как адаптация». Биогеронтология . 18 (4): 693–709. DOI : 10.1007 / s10522-016-9674-4 . ISSN 1389-5729 . PMID 28013399 . S2CID 11048849 .
- ^ Докинз, Ричард. Эгоистичный ген: издание 30-летия . Oxford University Press, 2006, стр. 250.
- ^ Nair, Ramith R .; Вассе, Мари; Вилгосс, Себастьян; Солнце, Лей; Yu, Yuen-Tsu N .; Велисер, Грегори Дж. «Совместная эволюция бактериального хищника и жертвы ускоряет эволюцию генома и выбирает связанные с вирулентностью средства защиты жертвы», Nature Communications, 2019, 10: 4301.
- ^ Кент, Шелби; Брюс, Уэбб (1999). «Полиднавирусное подавление иммунитета насекомых». Журнал физиологии насекомых . 45 (5): 507–514. DOI : 10.1016 / S0022-1910 (98) 00144-9 . PMID 12770335 .
- ^ Бентон, Майкл Дж. (2009). «Красная королева и придворный шут: разнообразие видов и роль биотических и абиотических факторов во времени». Наука . 323 (5915): 728–732. Bibcode : 2009Sci ... 323..728B . DOI : 10.1126 / science.1157719 . PMID 19197051 . S2CID 206512702 .
- ^ Sahney, S .; Бентон, MJ; Ферри, Пенсильвания (2010). «Связи между глобальным таксономическим разнообразием, экологическим разнообразием и распространением позвоночных на суше» . Письма о биологии . 6 (4): 544–547. DOI : 10.1098 / RSBL.2009.1024 . PMC 2936204 . PMID 20106856 .
- ^ Моррис, Джеффри Дж .; Ленски, Ричард Э .; Зинсер, Эрик Р. (23 марта 2012 г.). «Гипотеза Черной Королевы: эволюция зависимостей через адаптивную потерю генов» . mBio . 3 (2). DOI : 10,1128 / mBio.00036-12 . PMC 3315703 . PMID 22448042 .
дальнейшее чтение
- 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) Энциклопедия гипотезы Красной Королевы 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, GJ (1987). Эволюция и эскалация: экологическая история жизни. Princeton University Press, Принстон, Нью-Джерси.