Archiv rubriky: Aktuální projekt

Interakční sítě

Interakční sítě se vyskytují jak v ekologii (např. potravní sítě), tak i v biologii (např. genové nebo neuronové sítě). Ve svém výzkumu jsem se zaměřil na vliv adaptivního chování jedinců na druhovou koexistenci v potravních sítích (např. Berec et al. 2010, Krivan 2014) a v interakčních sítích s různými typy interakcí (např. Melian et al. 2009, Melian et al. 2015, Revilla and Krivan 2016, 2017).

Melian, C. J., Krivan, V., Altermatt, F., Stary, P. , Pellissier, L., De Laender, F. 2015. Dispersal dynamics in food swebs. American Naturalist 185:157-168

Krivan, V. 2014. Competition in di- and tri-trophic food web modules. Journal of Theoretical Biology 343:127-137.

Berec, L., Eisner, J., Krivan, V. 2010. Adaptive foraging does not always lead to more complex food webs. Journal of Theoretical Biology 266:211-218.

Melian, C. J., Bascompte, J., Jordano, P., Krivan, V. 2009. Diversity in a complex ecological network with two interaction types. Oikos 118:122-130.

Revilla, T. A., Krivan, V. 2016. Pollinator foraging flexibility and the coexistence of competing plants. Plus One 11: e0160076. 10.1371/journal.pone.0160076

Revilla, T., Krivan, V. 2018. Competition, trat-mediated facilitation, and the structure of plant-pollinator communities. Journal of theoretical biology 440:42-57

Krivan, V., Revilla, T. 2019. Plant coexistence mediated by adaptive foraging preferences of exploiters or mutualists. Journal of Theoretical Biology 480:112-128.

Evoluce lac operonu

Bakterie, které rostou na směsi dvou nebo více substrátů (např. laktózy a glukózy), nemetabolizují tyto substráty najednou, ale postupně, tj. bakterie nejprve využívají glukózu a po jejím vyčerpání se metabolismus přepne na laktózu. Molekulární mechanismus popsali François Jacob and Jacques Monod (Nobelova cena v roce 1965). V práci Krivan (2006) se řeší následující otázka: Je přepnutí metabolismu z glukózy na laktózu (nebo jiný cukr) evolučně optimalizované, tj. dochází k přepnutí metabolizmu v optimálním okamžiku? V práci Krivan (2006) se jednak vytváří nový populačně-evoluční model dynamiky systému skládajícího se ze dvou substrátů a populace bakterií. Model predikuje, při jakých koncentracích substrátů a bakterií by mělo dojít k přepnutí. Tyto teoretické predikce jsou pak konfrontovány s publikovanými daty a ukazuje se dobrá shoda mezi predikovanými a naměřenými výsledky.

Krivan, V. 2006. The Ideal Free Distribution and bacterial growth on two substrates. Theoretical Population Biology 69:181-191. 10.1016/j.tpb.2005.07.006

Konzistence reprodukce a přenosu pohlavně přenosné infekce

Klasické modely dynamiky infekčních nemocí popisují reprodukci hostitelské populace nezávisle na popisu přenosu dané infekce. To je v pořádku v případě infekcí přenášených vzduchem či přenašeči, a také v případě pohlavně přenosných nemocí u lidí, kde pouze zanedbatelné procento pohlavních aktů vede k reprodukci. Může to však být zásadním nedostatkem v případě pohlavně přenosných nemocí u mnoha živočichů, u kterých jsou páření a reprodukce silně korelované procesy, a páření tak zprostředkovává jak reprodukci, tak přenos pohlavně přenosné nemoci. Ačkoliv by v takových případech měly matematické modely dynamiky infekčních nemocí obsahovat konzistentní popis těchto dvou procesů, není tomu tak.

První model tohoto typu interakce jsme představili v práci Berec & Maxin (2013). Ukázali jsme přitom, že dynamika vytvořeného modelu se významně liší od dynamiky klasického modelu této interakce. Podobně jsme toto ukázali pro jiný typ dynamiky páření v práci Berec et al. (2017). Vyvinutý dynamický model vykazuje řadu netriviálních bifurkací a poměrně složité chování s řadou alternativních stabilních stavů. Model s konzistencí reprodukce a přenosu pohlavně přenosné infekce jsme také použili při snaze vysvětlit, proč je zdá se málo sexuálně přenosných parazitů, kteří zvyšují šance na úspěšné páření svého hostitele (Berec & Maxin 2014) a také pro studium ochoty zdravých jedinců pářit se s jedinci nemocnými (Theuer & Berec 2018).

Evoluce sterility hostitele způsobené infekcí

Negativní účinky parasitismu zahrnují snížení reprodukčních schopností infikovaných jedinců a zvýšení jejich mortality. Zatímco první efekt je doménou zejména pohlavně přenášených infekcí, zvýšení mortality je způsobováno spíše ostatními typy infekcí. První modely evoluce sterility hostitele způsobené infekcí předpovídaly vývoj plné sterilizace, tedy neplodnost infikovaných jedinců. Empirická pozorování však tuto předpověď potvrdily jen částečně, a proto je aktuálním tématem snaha porozumět mechanismům blokujícím vývoj plné sterilizace a umožňujícím evoluci pouze částečné sterilizace. Touto otázkou se zabýváme i v našem výzkumu. Aktuální práci na toto téma je možné najít v článku:

Janouskova, E., Berec, L. (2020) Fecundity-longevity trade-off, vertical transmission and evolution of virulence in sterilizing pathogens. American Naturalist 195: 95-106.

Evoluce Allee efektů

Allee efekt nastává, klesá-li s klesající velikostí či hustotou populace zdatnost jedinců. S každým Allee efektem je tedy spojen určitý dědičný znak ovlivňující zdatnost a tedy podléhající přirozenému výběru. U Allee efektu, který vzniká díky klesající šanci nalézt si partnera při klesajících populačních hustotách, takovým znakem může být rychlost hledání partnera či doba, po kterou si může samice po pohlavním styku uchovat spermie.

Protože přítomnost Allee efektu snižuje zdatnost jedince, dalo by se očekávat, že se u těchto jedinců budou znaky vyvíjet tak, aby se zdatnost zvyšovala. Allee efekt by se tak měl zeslabovat nebo případně úplně vymizet. Může se zdát, že tomu tak je, neboť například adaptací pro snazší nalezení partnera pozorujeme mnoho, ať už jde o pohlavní či agregační feromony, ptačí zpěv, kvákání žab, schopnost se efektivně pohybovat, či schopnost proklamovat svou kvalitu skrze čestné signály. Na druhou stranu je Allee efekt, který vzniká díky klesající šanci nalézt si partnera při klesajících populačních hustotách, nejpozorovanějším typem Allee efektu. Musí tedy existovat nějaké evoluční tlaky, které „udržují Allee efekt při životě“.

Odpovědí zde mohou být časté kompromisy v životních strategiích, například pozorování, že rychlejší pohyb může vést ke snížení reprodukce či zvýšení mortality, jak ukazujeme v práci Berec et al. (2018a) a také v článku Berec et al. (2018b). Může ale také docházet k tomu, že znaky, které jsou výhodné při nízkých hustotách, nemusí být výhodné při hustotách vysokých. Při vysokých hustotách tak vlastně může docházet k zesílení Allee efektu, i když toto zesílení se navenek nijak moc neprojeví, neboť při vysokých hustotách jsou Allee efekty víceméně latentní. Projeví se však výrazně, dojde-li k relativně náhlému poklesu populační hustoty, například vlivem katastrofy či působení člověka. A zdá se, že tohle opravdu funguje, neboť velké množství pozorovaných silných Allee efektů nastává u populací redukovaných vlivem člověka, jak demonstrujeme v článku Gascoigne et al. (2009).

Evoluční teorie her s časovými omezeními

Matematickým vyjádřením Darwinovy teorie evoluce je evoluční teorie her. Evoluční teorie her umožnila vysvětlit například evoluci agresivity (hra jestřáb-hrdlička) či evoluci kooperace (hra vězňovo dilema), za předpokladu přirozeného výběru na úrovni jedince. Tyto a řada dalších modelů jsou formulovány jako maticové hry dvou hráčů se dvěmi strategiemi. Řešení takových her hledáme ve tvaru tzv. evolučně stabilních strategií, které jsou odolné vůči invazím mutantních jedinců (tj. jedinců, kteří hrají jinou strategii, v biologii realizovanou jiným fenotypem).

Evoluční teorie her předpokládá, že se interagující jedinci potkávají náhodně a že interakce mezi různými strategiemi trvají stejně dlouhou dobu. Tyto dva předpoklady vedou k tomu, že rozložení interagujících párů odpovídá tzv. Hardyho-Weinbergovu ekvilibriu. To následně umožňuje určit zdatnost (angl. fitness) jednotlivých strategií a vypočítat tzv. evolučně stabilní strategie. V rámci našeho výzkumu vytváříme novou teorii, která umožňuje uvažovat různou dobu trvání interakcí mezi různými strategiemi.

Krivan, V., Cressman, R. 2017. Interaction times change evolutionary outcomes: Two-player matrix games. Journal of theoretical biology 416:199-2017

Krivan,V., Galanthy, T., Cressman, R. 2018. Beyond replicator dynamics: From frequency to density dependent models of evolutionary games. Journal of theoretical biology 455:232-248

Cressman, R., Krivan, V. 2019. Bimatrix games that include interaction times alter the evolutionary outcome: The owner-intruder game. Journal of theoretical biology 460:262-273.

Allee efekt díky páření

Allee efekt díky páření je nejpozorovanějším typem Allee efektu, jak se můžeme přesvědčit v tomto článku. Vzniká díky snížené schopnosti jedinců nalézt si partnera v populacích s nižší hustotou, což například v případě rostlin může znamenat, že pylovému zrnku se nepodaří dostat k samičím reprodukčním orgánům. V rámci našeho výzkumu se snažíme prostřednictvím matematických modelů zjistit, jak je síla tohoto Allee efektu určena různými prvky pářícího procesu, jako je například počet možných partnerů, rychlost hledání partnera či heterogenita populace. Zajímá nás také, jak lze tento Allee efekt efektivně využít při kontrole škůdců, ať už samostatně či s podporou jiných mechanismů vedoucích na Allee efekt. Aktuální práci na toto téma je možné najít v článku:

Berec, L. (2018). Mate search and mate-finding Allee effect: on modeling mating in sex-structured population models. Theoretical Ecology 11:225-244.