Если вам интересно, почему белок, похоже, намного больше, чем енотов, или почему на городских улицах преобладают автомобили определенных марок — в Университете Вирджинии (UVA) нашли ответ.
Некоторые виды многочисленны, а остальные (и их большинство) — редки. Уже почти столетие ученые пытаются найти математическую модель, описывающую эту закономерность — так называемую «полую кривую» распределения видов по численности, которое встречается повсеместно в экологических сообществах. Недавний прорыв, совершенный командой с биологического факультета UVA, похоже, наконец решил эту экологическую загадку.
Проанализировав 30 000 наборов данных — от распределения видов деревьев в США до бактериальных сообществ в человеческом кишечнике — исследователи обнаружили, что степенное распределение (powerbend distribution) точно описывает биоразнообразие растительных, животных и микробных сообществ. Эти революционные выводы недавно опубликованы в журнале Nature Communications.
«Это первое исследование, которое комплексно изучило все типы организмов, больших и малых. Мы обнаружили, что степенное распределение последовательно соответствует сообществам всех форм жизни, сред обитания и масштабов численности», — пояснил профессор биологии UVA Мартин У.
Общая тенденция такова: несколько многочисленных видов составляют большую часть сообщества, а остальные виды — более редкие. По словам У, эти закономерности характерны как для природы, так и для человеческого общества: «Если прогуляться по территории UVA, можно увидеть много белок, но вряд ли тут встретишь енота или лису. Если посмотреть на машины на городских улицах — там много Honda, Toyota или Ford, и есть немало других марок, которые встречаются гораздо реже».
Эта модель может быть полезна для сохранения биоразнообразия, поскольку дает надежную оценку естественного распределения численности видов. Она также помогает оценить биоразнообразие вокруг нас.
«Раньше, если я собирал один грамм почвы, у меня не было возможности точно определить, сколько видов бактерий в нем содержится. Теперь, имея эту модель, мне не нужно пересчитывать каждую клетку в почве — я могу получить достаточно точную оценку», — доволен профессор.
До появления современных технологий секвенирования ДНК в 2008 году провести учет микробных видов было крайне сложно, поскольку подавляющее большинство из них не удавалось культивировать в лаборатории.
«Можно отправиться в лес изучать деревья или наблюдать за птицами в бинокль, но до появления технологий секвенирования ДНК мы не могли легко исследовать микробы. С 2008 года произошел взрывной рост данных по микробным сообществам, и мы узнаем много нового», — заметил исследователь.
Как микробиолог, он всегда интересовался, применимы ли правила, действующие для сообществ животных и растений, к микробам. Исторически большинство исследований проверяли экологические модели и теории на растениях и животных, тогда как микробы почти не изучались.
Но сам У — не математик. Переломный момент наступил, когда в его лабораторию пришли аспиранты Иннан Гао и Ахмед Абдулла, увлеченные математикой, и привнесли в проект свои аналитические навыки.
Исследование даже вышло за пределы лаборатории — его продемонстрировали студентам UVA, рассказал У: «С помощью ДНК-секвенатора размером с флешку и ноутбука мы провели демонстрацию в реальном времени на занятии, изучив микробиом кишечника одного любимого профессора, Это был отличный способ показать студентам, какие микробы живут в кишечнике».
Один из наборов данных, использованных в исследовании, касается численности видов деревьев в США. Леса Вирджинии, одни из самых разнообразных в стране, преимущественно состоят из красного клена, сосны ладанной, тюльпанного дерева, амбрового дерева и американского падуба — на эти виды приходится около 45% из 10,6 миллиардов деревьев штата. Остальные 55% составляют 120 других видов.
«Как видите, 20% видов деревьев составляют 80% от общей численности, — сказал У. — Это соответствует принципу Парето — термину, введенному итальянским экономистом Вильфредо Парето, который обнаружил, что 20% населения контролируют 80% богатства».
Биологи выяснили, почему в тропиках так много видов деревьев
Давний научный спор о том, что движет эволюцией, близок к разрешению