Процесс, посредством которого организм формирует окружающую среду
Бобры занимают очень специфическую биологическую нишу в экосистеме: строят плотины на речных системах.
Строительство ниши — это процесс, посредством которого организм изменяет локальную среду своей собственной (или другого вида). Эти изменения могут представлять собой физическое изменение окружающей среды организма или включать в себя активное перемещение организма из одной среды обитания в другую, чтобы испытать другую среду. Примеры строительства ниш включают строительство животными гнезд и нор, а также создание тени, влияние скорости ветра и чередование круговорота питательных веществ растениями. Хотя эти изменения часто выгодны строителю, они не всегда таковы (например, когда организмы сбрасывают мусор, они могут ухудшить свою собственную среду).
Эволюция
Чтобы построение ниши повлияло на эволюцию , оно должно удовлетворять трем критериям: 1) организм должен существенно изменить условия окружающей среды, 2) эти модификации должны повлиять на одно или несколько давлений отбора на организм-реципиент и 3) должна существовать эволюционная реакция, по крайней мере, в одна популяция-реципиент, вызванная изменением окружающей среды. [1] [2] Только первые два критерия свидетельствуют о построении ниши.
Недавно некоторые биологи заявили, что построение ниш — это эволюционный процесс, работающий в сочетании с естественным отбором . [1] Эволюция влечет за собой сети обратных связей, в которых ранее выбранные организмы вызывают изменения окружающей среды, а измененная организмом среда впоследствии выбирает изменения в организмах. [1] [3] [4] Взаимодополняющее соответствие между организмом и окружающей средой является результатом двух процессов: естественного отбора и построения ниши. Эффект построения ниш особенно выражен в ситуациях, когда изменения окружающей среды сохраняются в течение нескольких поколений, представляя эволюционную роль экологического наследования . Эта теория подчеркивает, что организмы наследуют от своих предков два наследия: гены и измененную окружающую среду. Организм, создающий нишу, может считаться, а может и не считаться экосистемным инженером . Экосистемная инженерия — это родственная, но неэволюционная концепция, относящаяся к структурным изменениям, вызываемым в окружающей среде организмами. [5]
Примеры
Муравьи-листорезы занимают жизненно важную нишу в экосистеме тропических лесов
Ниже приведены некоторые примеры строительства ниш:
Дождевые черви физически и химически изменяют почву, в которой они живут. Только изменив почву, эти преимущественно водные организмы могут жить на суше. [6] Обработка почвы дождевыми червями приносит пользу видам растений и другой биоте, присутствующей в почве, как первоначально указывал Дарвин в своей книге « Формирование растительной плесени под действием червей» . [ нужна цитата ]
Лимонные муравьи ( Myrmelachista schumani ) используют специальный метод подавления, который регулирует рост некоторых деревьев. Они живут в стволах деревьев Duroia hirsuta , растущих в тропических лесах Амазонки в Перу. Лимонные муравьи используют муравьиную кислоту (химическое вещество, довольно распространенное среди видов муравьев) в качестве гербицида. Уничтожая деревья, непригодные для колоний лимонных муравьев, эти муравьи создают особую среду обитания, известную как сады дьявола . [7]
Бобры строят плотины и тем самым создают озера, которые кардинально формируют и изменяют прибрежные экосистемы. Эта деятельность изменяет круговорот питательных веществ и динамику разложения, влияет на воду и материалы, переносимые вниз по течению, и в конечном итоге влияет на состав и разнообразие растений и сообществ. [8]
Бентосные диатомеи , обитающие в устьевых отложениях залива Фанди в Канаде, выделяют углеводные экссудаты, которые связывают песок и стабилизируют окружающую среду. Это меняет физическое состояние песка, что позволяет другим организмам (таким как амфипод Corophium volutator ) колонизировать эту территорию. [9]
Чапараль и сосны увеличивают частоту лесных пожаров из-за распространения хвои, шишек, семян и масел, по существу засоряя лесную подстилку. Пользе от этой деятельности способствует адаптация к огнестойкости, которая дает им преимущество по сравнению с конкурентами. [10]
Дрожжи Saccharomyces cerevisiae создают новую среду для ферментации фруктов. Этот процесс ферментации, в свою очередь, привлекает плодовых мух, с которыми он тесно связан и которых использует для транспортировки. [11]
Цианобактерии служат примером планетарного масштаба, производя кислород в качестве отходного продукта фотосинтеза (см. « Великое событие оксигенации »). Это резко изменило состав атмосферы и океанов Земли, что повлекло за собой огромные макроэволюционные и экологические последствия. [12]
Микробиалиты представляют собой древние ниши, построенные бактериальными сообществами, что свидетельствует о том, что построение ниш присутствовало на ранних формах жизни.
Последствия
Тростниковая славка кормит своего большого детеныша-злоумышленника.
Создавая новые ниши, существа могут оказывать существенное влияние на окружающий мир. [1]
Важным последствием строительства ниш является то, что оно может повлиять на естественный отбор, который испытывают виды, выполняющие строительство. Обыкновенная кукушка иллюстрирует такое последствие. Он паразитирует на других птицах, откладывая яйца в их гнезда. Это привело к нескольким изменениям среди кукушек, в том числе к короткому времени инкубации яиц. Яйца должны вылупиться первыми, чтобы птенец мог вытолкнуть яйца хозяина из гнезда, гарантируя, что у него не будет конкуренции за внимание родителей. Еще одна адаптация, которую он приобрел, заключается в том, что птенец имитирует крики нескольких молодых птенцов, так что родители приносят пищу не одному потомству, а целому выводку. [1] [13]
Строительство ниш также может порождать коэволюционные взаимодействия, как показано на приведенных выше примерах с дождевыми червями, бобрами и дрожжами.
Было обнаружено, что развитие многих организмов и повторение признаков из поколения в поколение в решающей степени зависят от построения сред развития, таких как гнезда, предковыми организмами. Экологическая наследственность относится к унаследованным ресурсам и условиям и связанным с ними измененным давлениям отбора, которые предковые организмы завещают своим потомкам как прямой результат построения своей ниши.
Строительство ниш имеет важные последствия для понимания, управления и сохранения экосистем. [9]
История
Теория построения ниш (NCT) в прошлом предвосхищалась разными людьми, в том числе физиком Эрвином Шрёдингером в его книге «Что такое жизнь?». и эссе «Разум и материя» (1944). Одним из первых сторонников концепции создания ниш в биологии был биолог развития Конрад Уоддингтон . Он обратил внимание на множество способов, которыми животные изменяют свою избирательную среду на протяжении всей своей жизни, выбирая и изменяя условия окружающей среды - явление, которое он назвал «эксплуататорской системой». [14]
Впоследствии идея создания ниши стала известна благодаря трудам гарвардского биолога-эволюциониста Ричарда Левонтина . В 1970-х и 1980-х годах Левонтин написал серию статей об адаптации, в которых указал, что организмы не пассивно адаптируются посредством отбора к ранее существовавшим условиям, а активно конструируют важные компоненты своих ниш. [4]
Оксфордский биолог Джон Одлинг-Сми (1988) был первым, кто придумал термин «построение ниши», и первым, кто выдвинул аргумент, что «построение ниши» и « экологическое наследование » следует признать эволюционными процессами. [15] В течение следующего десятилетия исследования в области строительства ниш быстро росли, сопровождаясь потоком экспериментальных и теоретических исследований в широком диапазоне областей.
Моделирование конструкции ниши
Строительство ниш в эволюционное время. Организм не только изменяет окружающую среду, но и приспосабливается к ней. [16]
Математическая эволюционная теория исследует как эволюцию построения ниш, так и ее эволюционные и экологические последствия. Этот анализ показывает, что создание ниши имеет большое значение. Например, конструкция ниши может:
исправить гены или фенотипы, которые в противном случае были бы вредными, создать или устранить равновесие и повлиять на скорость эволюции; [17] [18] [19]
вызывать эволюционные временные лаги, генерировать импульс, инерцию, автокаталитические эффекты, катастрофические реакции на отбор и циклическую динамику; [17] [19]
стимулировать фиксацию черт, создающих нишу, путем создания статистических ассоциаций с чертами-реципиентами; [18]
способствовать развитию сотрудничества; [20] [21]
регулировать состояние окружающей среды, позволяя сохраняться в неблагоприятных условиях, способствуя расширению ареала и влияя на пропускную способность; [22] [23]
стимулируют коэволюционные события, обостряют и улучшают конкуренцию, влияют на вероятность сосуществования и порождают макроэволюционные тенденции. [23]
Люди
Теория построения ниш оказала особое влияние на гуманитарные науки, включая биологическую антропологию , [24] археологию , [25] и психологию . [26] В настоящее время признано, что строительство ниш сыграло важную роль в эволюции человека , [24] [27] , включая эволюцию когнитивных способностей. [28] Его влияние, вероятно, связано с тем, что сразу становится очевидным, что люди обладают необычайно мощной способностью регулировать, создавать и разрушать окружающую среду, и что это порождает некоторые насущные текущие проблемы (например, изменение климата , вырубка лесов , урбанизация ). Однако ученых-людей привлекла перспектива создания ниш, поскольку она признает человеческую деятельность как направляющий процесс, а не просто как следствие естественного отбора . [1] [25] Создание культурной ниши может также влиять на другие культурные процессы, даже затрагивая генетику.
Теория построения ниш подчеркивает, как приобретенные персонажи играют эволюционную роль посредством трансформации избирательной среды. Это особенно актуально для эволюции человека, где наш вид, по-видимому, подвергся обширным изменениям окружающей среды посредством культурных практик. [29] Такие культурные практики, как правило, сами по себе не являются биологическими адаптациями (скорее, они являются адаптивным продуктом гораздо более общих адаптаций, таких как способность учиться, особенно у других, учить, использовать язык и т. д., которые лежат в основе человеческой культуры).
Математические модели установили, что построение культурных ниш может изменять естественный отбор человеческих генов и стимулировать эволюционные события. Это взаимодействие известно как коэволюция генов и культур . Сейчас мало кто сомневается в том, что создание человеческой культурной ниши способствовало эволюции человека. [29] Люди изменили отбор, например, расселившись в новых средах с разными климатическими режимами, разработав методы ведения сельского хозяйства или одомашнив скот. Хорошо изученным примером является открытие того, что молочное животноводство создало давление отбора, которое привело к распространению аллелей устойчивости лактазы у взрослых. [30] Анализ человеческого генома выявил многие сотни генов, подвергшихся недавнему отбору, и считается, что культурная деятельность человека во многих случаях является основным источником отбора. Пример персистенции лактозы может быть репрезентативным для очень общей модели коэволюции генов и культур.
Создание ниш также сейчас занимает центральное место в нескольких объяснениях эволюции языка. Например, Дерек Бикертон описывает, как наши предки строили ниши для добычи мусора, которые требовали от них общения, чтобы набрать достаточное количество особей, чтобы отогнать хищников от трупов мегафауны. [28] Он утверждает, что наше использование языка, в свою очередь, создало новую нишу, в которой сложное познание было полезным.
Текущее состояние
Хотя тот факт, что происходит построение ниш, не вызывает сомнений и его изучение восходит к классическим книгам Дарвина о дождевых червях и кораллах , эволюционные последствия строительства ниш не всегда полностью осознавались. Исследователи расходятся во мнениях относительно того, в какой степени построение ниш требует изменений в понимании эволюционного процесса. Многие сторонники концепции строительства ниш присоединяются к другим прогрессивным элементам в поисках расширенного эволюционного синтеза , [31] [32] — позиция, которую отвергают другие видные биологи-эволюционисты. [33] Лаубихлер и Ренн [32] утверждают, что теория построения ниш предлагает перспективу более широкого синтеза эволюционных явлений посредством «понятия расширенных и множественных систем наследования (от геномных до экологических, социальных и культурных)». [32]
Теория построения ниш (NCT) остается спорной, особенно среди ортодоксальных биологов-эволюционистов. [34] [35] В частности, споры вызвало утверждение о том, что построение ниш является эволюционным процессом. В результате сотрудничества некоторых критиков концепции создания ниш и одного из ее сторонников была предпринята попытка выявить их различия. [35] Они писали:
«NCT утверждает, что построение ниш — это отдельный эволюционный процесс, потенциально имеющий равную важность с естественным отбором. Скептики оспаривают это. Для них эволюционные процессы — это процессы, которые изменяют частоты генов , из которых они выделяют четыре ( естественный отбор , генетический дрейф , мутация) . , миграция [т. е. поток генов ])... Они не видят, как построение ниш либо генерирует, либо сортирует генетические вариации независимо от этих других процессов, или как оно каким-либо другим образом изменяет частоты генов. Напротив, NCT принимает более широкое понятие Хотя сторонники соглашаются, что следует проводить полезное различие между процессами, которые непосредственно изменяют частоты генов, и факторами, которые играют разные роли в эволюции... Скептики, вероятно, Сторонники NCT, напротив, являются частью значительного меньшинства биологов-эволюционистов, которые понимают эволюционные процессы в более широком смысле, как все, что систематически искажает направление или скорость эволюции. критерий, которому, по их мнению (но не скептики), отвечает строительство ниши». [35]
Авторы приходят к выводу, что их разногласия отражают более широкий спор внутри эволюционной теории о том, нуждается ли современный синтез в переформулировке, а также различное использование некоторых ключевых терминов (например, эволюционный процесс).
Дальнейшие разногласия окружают применение теории построения ниш к истокам сельского хозяйства в археологии. В обзоре 2015 года археолог Брюс Смит пришел к выводу: «Объяснения [одомашнивания растений и животных], основанные на моделировании широты рациона, имеют ряд концептуальных, теоретических и методологических недостатков; подходы, основанные на теории построения ниш, гораздо лучше поддерживаются». согласно имеющимся данным в двух рассматриваемых регионах [восточная часть Северной Америки и Неотропы ] ». [36] Однако другие исследователи не видят конфликта между теорией построения ниш и применением методов поведенческой экологии в археологии. [37] [38]
Критический обзор Манана Гупты и его коллег был опубликован в 2017 году, что привело к спору между критиками и сторонниками. [39] [40] [41] [ нужны разъяснения ]
В другом обзоре 2018 года подтверждается важность создания ниш и экстрагенетической адаптации в эволюционных процессах. [42]
^ abcdef Одлинг Сми, Джон; Лаланд, Кевин; Фельдман, Маркус (2003). Создание ниши: забытый процесс эволюции . Принстон: Издательство Принстонского университета. п. 488.
^ Мэтьюз, Блейк; Де Местер, Люк; Джонс, Клайв Джи; Ибелингс, Бас В; Баума, Тьерд Дж; Нуутинен, Виза; Де Коппель, Йохан ван; Одлинг-Сми, Джон (2014). «В стадии создания ниши: оперативный мост между экологией, эволюцией и наукой об экосистемах» (PDF) . Экологические монографии . 84 (2): 245–63. дои : 10.1890/13-0953.1. JSTOR 43187889.
^ Левинс, Ричард; Левонтин, Ричард К. (1985). Диалектический биолог . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета.[ нужна страница ]
^ аб Левонтин, Ричард К. (1983). «Ген, организм и окружающая среда». В Бендалле, Д.С. (ред.). Эволюция от молекул к людям . Кембридж: Издательство Кембриджского университета.[ нужна страница ]
^ Рис, Джейн Б.; Урри, Лиза А.; Каин, Майкл Л.; Вассерман, Стивен А.; Минорский, Петр Васильевич; Джексон, Роберт Б. (2010). Кэмпбелл Биология (9-е изд.). Пирсон.[ нужна страница ]
^ Найман, Роберт Дж; Джонстон, Кэрол А ; Келли, Джеймс С. (1988). «Изменение бобрами ручьев Северной Америки». Биологическая наука . 38 (11): 753–62. дои : 10.2307/1310784. JSTOR 1310784.
^ аб Бугерт, Нилтье Дж; Патерсон, Дэвид М; Лаланд, Кевин Н. (2006). «Последствия строительства ниш и экосистемной инженерии для природоохранной биологии». Бионаука . 56 (7): 570–8. doi : 10.1641/0006-3568(2006)56[570:tionca]2.0.co;2 .
^ Швилк, Дилан В. (2003). «Горючесть - особенность нишевой конструкции: архитектура навеса влияет на интенсивность пожара». Американский натуралист . 162 (6): 725–33. дои : 10.1086/379351. PMID 14737710. S2CID 30227488.
^ Эрвин, Дуглас Х. (2008). «Макроэволюция экосистемной инженерии, строительства ниш и разнообразия». Тенденции в экологии и эволюции . 23 (6): 304–10. дои : 10.1016/j.tree.2008.01.013. ПМИД 18457902.
^ Дэвис, Н. (2015). Кукушка. Обман по природе . Лондон: Блумсбери.[ нужна страница ]
^ Уоддингтон, CH (1969). «Парадигма эволюционного процесса». В Уоддингтоне, CH (ред.). На пути к теоретической биологии . Том. 218. Издательство Эдинбургского университета. стр. 106–123. дои : 10.1038/218525a0. PMID 5650959. S2CID 204994224.{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь ) Переиздано как: Waddington, CH (2008). «Парадигма эволюционного процесса». Биологическая теория . 3 (3): 258–66. дои : 10.1162/biot.2008.3.3.258. S2CID 83525979.
^ Одлинг-Сми, FJ (1988). «Фенотипы, создающие нишу». В Плоткине, ХК (ред.). Роль поведения в эволюции . Кембридж (Массачусетс): MIT Press. стр. 73–132.
^ Одлинг-Сми, Ф. Джон (2009). «Строительство ниш в эволюции, экосистемах и биологии развития». В Барберусе, А.; Моранж, М.; Праде, Т. (ред.). Картирование будущего биологии . Дордрехт: Спрингер.[ нужна страница ]
^ аб Лаланд, К.Н.; Одлинг-Сми, Ф.Дж.; Фельдман, MW (1999). «Эволюционные последствия строительства ниш и их значение для экологии». Труды Национальной академии наук . 96 (18): 10242–7. Бибкод : 1999PNAS...9610242L. дои : 10.1073/pnas.96.18.10242 . JSTOR 48725. PMC 17873 . ПМИД 10468593.
^ аб Сильвер, М.; Ди Паоло, Э.А. (2006). «Пространственные эффекты способствуют развитию строительства ниш». Теория народной биологии . 70 (4): 387–400. CiteSeerX 10.1.1.65.6226 . дои : 10.1016/j.tpb.2006.08.003. ПМИД 17011006.
^ аб Креанца, Н; Фельдман, МВ (2014). «Сложность моделей построения культурной ниши с отбором и гомофилией». Труды Национальной академии наук . 111 (Приложение 3): 10830–7. Бибкод : 2014PNAS..111S0830C. дои : 10.1073/pnas.1400824111 . JSTOR 23800668. PMC 4113930 . ПМИД 25024189.
^ Ван Дайкен, Дж. Дэвид; Уэйд, Майкл Дж (2012). «Истоки разнообразия альтруизма II: безудержная коэволюция альтруистических стратегий посредством« взаимного строительства ниш »». Эволюция . 66 (8): 2498–513. дои : 10.1111/j.1558-5646.2012.01629.x. ПМЦ 3408633 . ПМИД 22834748.
^ Килафис, Г.; Лоро, М. (2008). «Экологические и эволюционные последствия строительства ниши для его агента». Экологические письма . 11 (10): 1072–1081. дои : 10.1111/j.1461-0248.2008.01220.x. PMID 18727670. S2CID 26010563.
^ аб Кракауэр, округ Колумбия; Пейдж, КМ.; Эрвин, Д.Х. (2009). «Разнообразие, дилеммы и монополии строительства ниш». Американский натуралист . 173 (1): 26–40. дои : 10.1086/593707. PMID 19061421. S2CID 1995723.
^ аб Антон, Южная Каролина; Поттс, Р.; Айелло, LC. (2014). «Эволюция раннего человека: интегрированная биологическая перспектива». Наука . 345 (6192): 1236828. doi :10.1126/science.1236828. PMID 24994657. S2CID 30188239.
^ Аб О'Брайен, М.; Лаланд, КН. (2012). «Гены, культура и сельское хозяйство: пример создания человеческой ниши» (PDF) . Современная антропология . 53 (4): 434–470. дои : 10.1086/666585. hdl : 10023/5216 . S2CID 40427412.
^ Пошевиль, Арно (2010). «Что такое нишевое строительство (нет)» . La Niche Ecologique: концепции, модели, приложения (кандидатская диссертация). Париж: Ecole Normale Superieure. стр. 39–124.
^ abc Скотт-Филлипс, Томас С; Лаланд, Кевин Н; Шукер, Дэвид М; Дикинс, Томас Э; Уэст, Стюарт А. (2014). «Перспектива строительства ниши: критическая оценка». Эволюция . 68 (5): 1231–43. дои : 10.1111/evo.12332. ПМК 4261998 . ПМИД 24325256.
^ Смит, Брюс (2015). «Сравнение теории построения ниши и моделей ширины рациона как объяснительная основа для первоначального одомашнивания растений и животных». Журнал археологических исследований . 23 (3): 215–262. дои : 10.1007/s10814-015-9081-4. S2CID 143722290.
^ Лаланд, Кевин Н.; Браун, Джиллиан Р. (2006). «Построение ниши, человеческое поведение и гипотеза адаптивного запаздывания». Эволюционная антропология . 15 (3): 95–104. дои : 10.1002/evan.20093 . S2CID 32095006.
^ Стинер, MC; Кун, СЛ. (2016). «Не упускаем ли мы «золотую середину» между теорией оптимальности и теорией построения ниш в археологии?». J Антрополь Археол . 44 : 177–184. дои :10.1016/j.jaa.2016.07.006.
^ Гупта, М., Н.Г. Прасад, С. Дей, А. Джоши и TNC Видья. (2017). «Построение ниши в эволюционной теории: построение академической ниши?» Журнал генетики 96 (3): 491–504.
^ Фельдман, MW; Одлинг-Сми, Дж; Лаланд, КН (2017). «Почему критика теории построения ниш Гуптой и др. не соответствует действительности». Журнал генетики 96 (3): 505-508.
^ Гупта, Манан; Прасад, Н.Г.; Дей, Сутирт; Джоши, Амитабх; Видья, ТНК (2017). «Мы думаем, что Фельдман и другие слишком сильно протестуют». Журнал генетики 96 (3): 509–511.
^ Дрессино, Висенте (18 января 2019 г.). «Строительство ниши и внегенетическая адаптация: их роль как механизмов в эволюционных изменениях». Людус Виталис . 26 (50): 1–15. ISSN 1133-5165. Архивировано из оригинала 30 марта 2022 г. Проверено 31 мая 2021 г.
дальнейшее чтение
Докинз, Ричард (2004). «Расширенный фенотип, но не слишком расширенный. Ответ Лаланду, Тернеру и Яблоньке». Биология и философия . 19 (3): 377–396. doi :10.1023/b:biph.0000036180.14904.96. S2CID 85750258.
Эрцен, Мауриц В., Кристоф Маух и Эдмунд Рассел, ред. «Формирование планеты: создание человеческой ниши на работе», Перспективы RCC: трансформации в окружающей среде и обществе , 2016, вып. 5. doi.org/10.5282/rcc/7723.
Лаланд, Кевин Н.; Одлинг-Сми, Ф. Джон; Тернер, Скотт (2014). «Роль внутренних и внешних конструктивных процессов в эволюции». Журнал физиологии . 592 (11): 2413–2422. doi : 10.1113/jphysicalol.2014.272070. ПМК 4048099 . ПМИД 24591574.
Дэй, Рэйчел Л.; Лаланд, Кевин Н.; Одлинг-Сми, Ф. Джон (2003). «Переосмысление адаптации: перспектива создания ниши». Перспектива Биол Мед . 46 (1): 80–95. дои : 10.1353/pbm.2003.0003. PMID 12582272. S2CID 10254436.
Йоман, Карл Дж; Чиа, Николас; Йылдирим, Сулейман; Миллер, Маргрет Э. Берг; Кент, Анджела; Штумпф, Ребекка; Ли, Стивен Р.; Нельсон, Карен Э; Уайт, Брайан А; Уилсон, Бренда А. (2011). «К эволюционной модели микробиомов, связанных с животными». Энтропия . 13 (12): 570–94. Бибкод : 2011Entrp..13..570Y. дои : 10.3390/e13030570 .