Универсальная модель распределения видов: как математика объясняет биоразнообразие

Прогуливаясь по лесам, сложно не заметить, что некоторые виды деревьев встречаются на каждом шагу, в то время как другие, попадаются гораздо реже. Подобная закономерность наблюдается не только в природе, но и в человеческом мире: на улицах городов чаще всего мелькают автомобили определенных марок, а остальные — скорее исключение. Ученые давно пытались найти математическую модель, объясняющую это неравномерное распределение. Исследователи из Университета Вирджинии, похоже, нашли ответ — это диапазон распределения видов (powerbend distribution), который с высокой точностью описывает, почему в любом сообществе доминируют лишь несколько видов, а большинство остаются редкими.

Универсальность модели и ее значение

Проанализировав 30 000 наборов данных — от лесных массивов США до бактериальных сообществ в кишечнике человека, — команда биологов UVA пришла к выводу, что диапазон распределения одинаково хорошо работает для растений, животных и микроорганизмов. Это означает, что экологические закономерности, ранее изучавшиеся в основном на крупных организмах, применимы и к микробам, что открывает новые возможности для понимания биоразнообразия.

Исследование также выявило любопытную параллель с экономикой. Оказалось, что в природе действует аналог принципа Парето: примерно 20% видов составляют 80% популяции. Например, в Вирджинии пять самых распространенных видов деревьев формируют почти половину всех деревьев штата, а остальные 120 видов делят между собой оставшуюся часть. Точно так же в городах чаще всего встречаются автомобили нескольких марок, а остальные — редкость.

Ключевую роль в этом исследовании сыграли современные технологии. До появления высокоточного ДНК-секвенирования в 2008 году ученые могли изучать микробов только в лабораторных условиях, что серьезно ограничивало данные. Теперь же, благодаря компактным секвенаторам, анализ микробиома стал доступен даже в учебных аудиториях. Например, студенты UVA проводили эксперименты в реальном времени, исследуя кишечные бактерии своих преподавателей.

Практическое применение

Это открытие имеет важные последствия для экологии и медицины. Во-первых, модель позволяет оценивать биоразнообразие без трудоемкого подсчета каждого организма — достаточно проанализировать выборку. Во-вторых, она помогает экологам определять, какие виды находятся под угрозой исчезновения, и разрабатывать стратегии их защиты. Наконец, понимание закономерностей распределения видов может быть полезно и в других областях, например, в экономике или социологии, где тоже наблюдается неравномерное распределение ресурсов.

Работа ученых из UVA демонстрирует, что законы природы часто оказываются удивительно универсальными. Диапазон распределения не только объясняет, почему в лесу больше белок, чем енотов, но и дает науке мощный инструмент для изучения и сохранения биоразнообразия. Как отмечает профессор Мартин Ву, «теперь у нас есть модель, которая работает на всех уровнях — от бактерий до деревьев». Это исследование, опубликованное в Nature Communications, — важный шаг к пониманию того, как устроена жизнь на нашей планете.