1960 年のアメリカ自然主義者協会の会議で、著名な英国の生態学者 G. エブリン ハッチンソンは、彼が「プランクトンのパラドックス」と呼ぶものを提起しました。海水の入ったフラスコを見てください。多様な種のプランクトンで満たされ、すべてが同じ重要な要素と栄養素を求めて競合します.しかし、自然淘汰は、時間の経過とともに、1 つの種だけが生態学的ニッチを占めるべきであることを意味します。これは、競合的排除として知られる概念です。プランクトンに当てはまることは、多くの原生動物、植物、鳥、魚、その他の生物にも当てはまるようです。生態系は、安定して共存する多くの競合する種を日常的に持つことができるでしょうか?
それ以来、生態学者はこの厄介なパラドックスについて熟考してきましたが、一般的には「勝者を殺す」(KTW) 仮説として知られる解決策に安堵しています。それは生態系における捕食者と被食者の関係にかかっており、これはしばしば種固有のものです。ある種が競争相手を追い出し始めると、その個体数の増加により、より多くの捕食者も繁栄することができます.捕食は最終的に獲物の数を再び押し下げます（したがって、勝者を殺します）.競争と捕食の組み合わせにより、競合する種のいくつかの個体群が平衡状態で共存できます。 KTW 仮説は、多くの生態学者が生物多様性を説明する際の頼りになるものになりました。
NASA宇宙生物学研究所の所長であるナイジェル・ゴールデンフェルドと、カール・R・ウーズゲノム生物学研究所の彼の研究室の大学院生であるチー・シュエが、2015年にKTWのアイデアをより詳しく調べ始めたとき、彼らはそうしませんでした。爆破するつもりはない。むしろ、彼らは生命と生態系のどのような特徴が宇宙全体に遍在している可能性があるかを調査していました.多様性は良い候補のように思えました。 「地球上のさまざまな孤立した生態系を見ると、いたるところに多様性が見られます」と Xue 氏は言います。彼らは、何がその多様性を生み出し、維持するのか、そしてそれが別の惑星でも同様に関連性があるかどうかに興味を持っていました.
しかし彼らは、KTW のアイデアを検証するためにモデルで伝統的に使用されてきた計算に非現実的な欠陥があることに気付きました。原子を認識せずに液体を記述したかのようです」と Goldenfeld 氏は電子メールで説明しました。これらのモデルでは個体数がほんの一部にまで激減した後でも個体数が回復する可能性があったため、発生する可能性のある絶滅の量を過小評価していました。 (Goldenfeld と Xue は、この問題を「確率的ノイズ」の欠如と呼んでいます。これは、現実世界の制限が課す数学的に恣意的な不連続性が計算に反映されていないためです。)
Xue と Goldenfeld は、モデルをより現実的に作り直すことにしました。 「KTW のアイデアが失敗するとは思っていませんでした」と Xue 氏は言います。 「ノイズを加えたら何か違うかどうかを知りたかっただけです。」
彼らが最近 Physical Review Letters で説明した結果 、壊滅的でした。生物多様性と種の共存は単に低下しただけではありません。彼らは姿を消しました。 「基本的に、すべての種が絶滅しました」と Xue 氏は言います。試行錯誤を繰り返した結果、変動する獲物の個体数はゼロにまで減少し続け、その捕食者は食物の不足により絶滅しました。時々、システムは持続する捕食者と被食者の種の単一のペアに進化しましたが、それらの配置でさえ常に安定しているとは限りませんでした.自然界に見られる種の豊富な多様性はどこにも見られませんでした.
しかし、Xue と Goldenfeld はさらに一歩進んで、以前のシミュレーションでは省略されていた別の要素、つまり進化を含めました。これにより、獲物の種は捕食者を回避する能力が向上し、捕食者は獲物を捕まえる能力が向上しました。
獲物と捕食者のエスカレートする能力が並行して進化し、それがすべての違いを生んだため、その後に続いたのは軍拡競争でした.その競争により、システムに種の多様性が追加されましたが、KTW効果により、どの種も引き継ぐことができませんでした.シミュレーションにおける生物多様性が繁栄しました。
Xue と Goldenfeld は、この共進化のダイナミクスが自然界でも発生するというゲノミクスの証拠を見ています。 「バクテリアを見て、より速く進化しているゲノムの領域を見つけると、それらはウイルス耐性に関与する領域です」と Xue は言いました。彼らの共進化 KTW モデルが示唆するように、ウイルスに抵抗するための選択圧力は、他の圧力を上回っているようです。たとえば、他の細菌との競争力を高めるためです。
それでも、それは決定的な証拠ではありません。研究者たちは、彼らの結論がどれほど一般化できるかをさらに調査する予定です。彼らは、捕食者が獲物についてあまり具体的でない場合に何が起こるかを見たいと思っています.ゴールデンフェルド氏によると、ウイルスはバクテリアや他の細胞を殺すだけでなく、それらの間で遺伝子を交換することもあるという。この二重の役割は、「遺伝子の捕食者であり、タクシーの運転手でもあります」と彼は言い、生態系の進化と安定性に大きな影響を与える可能性があります.
また、共進化する KTW モデルがすべてのタイプの生命に等しく適用されるかどうかも不明です。 「原則として、捕食者と被食者の間のこの相互作用は、微生物に固有のものではありません。ウサギとキツネの間のように、どこにでもあります」とシュエは言いました.しかし、彼女はまた、彼らのモデルは、進化的変化 (突然変異など) と生態学的変化 (生物の誕生と死など) が同じタイムスケールで、ほぼ同じ頻度で起こると仮定していることにも言及しました。 「これはキツネやノウサギのような種には当てはまりませんが、微生物ではよくあることです。」
南カリフォルニア大学の生物科学教授である Jed Fuhrman によると、モデリング手法は一般的に有用ですが、慎重に解釈する必要があります。 「いくつかの仮定と側面は、他のものよりも複雑な自然システムに直接適用できます。」微生物群集でさえ、さまざまな生存戦略を採用しているため、「モデルは他の群集よりも群集の一部に適用される可能性があります。」
しかし、共進化する KTW モデルが広く適用可能であることが証明された場合、Goldenfeld によれば、「生態系に多様な個体群を取得するための非常に一般的な方法があり、単一栽培は例外であり、規則ではない」ことを示しています。生命が進化する場所はどこでも、他の惑星や月であっても、複雑な生態系に多様化することを期待する必要があります.彼は、彼の研究室の研究の将来の方向性の 1 つは、多様な生物から「コミュニティ代謝がどのように発生するか」であり、それぞれが共有環境でさまざまな方法で物質を処理することになると述べました.
たとえば、木星の衛星エウロパと土星の衛星エンケラドスを覆う氷の下の海で生命の兆候を探すために宇宙科学者が将来の探査機を送る場合、この考えは関連する可能性があります。生命が存在する場合、単一の生物ではなく、生態系全体の生化学的特徴が見られることを期待する必要があります。
NASA のジェット推進研究所の副プロジェクト科学者であるケビン ピーター ハンド氏によると、火星、エウロパ、エンケラドス、その他の生命の安息の地と疑われる場所への探査用に開発されている計器は、生態系に広く関連する兆候をすでに探しています。彼が取り組んでいる提案されたエウロパ着陸ミッションのコンセプトは、有機化合物の複雑さとキラリティー、およびサンプル中の細胞様構造。
しかし、宇宙生物学者が生命が存在するかどうかという問題を乗り越えて、エイリアンの生態系のダイナミクスが地球のダイナミクスにどれだけ似ているかを調べることができるようになると、プランクトンのパラドックスの解決策を知ることが重要になる可能性があります.
