Fysiker Lös biodiversiteten Arms-Race Paradox: "Döda vinnaren"

Ekosystem trivs när det finns ett överflöd av organismer som kan utföra unika funktioner och fylla olika nischer. En rudimentär bild av detta skulle vara hur växter använder solstråle och vatten och näringsämnen växer, växtätare äter växterna, köttätare äter herbivorerna och svampar sönderdelar all död materia tillbaka till näringsämnen för plantorna att använda. Vissa organismer utför samma funktion som att konsumera samma byte och direkt konkurrera mot varandra för denna roll. Forskare beskriver denna rikedom av arter som "biologisk mångfald", men har alltid kämpat för att få full uppfattning om dess komplexitet och förena vissa av de paradoxala effekterna av biologisk mångfald.

En av dessa stora frågor är vad som kallas diversitetsparadoxen: Varför en överlägsen art inte utkämpar alla sina biologiska grannar och driver dem till utrotning. Forskare kan äntligen få en lösning på denna gåta. I ett papper publicerat 28 december i tidningen Fysiska granskningsbrev, fysikprofessor Nigel Goldenfield, Ph.D. och hans doktorand Chi Xue, båda vid Carl R. Woese Institute for Genomic Biology vid University of Illinois i Urbana-Champaign, undersöker diversitetsparadoxen genom en vapen-ras av mikrobiella hot.

Med hjälp av exemplet på virus som ropar på bakterier, visar Goldenfield och Xue hur rovdjur och byte konkurrerar med varandra. Bakterier utvecklas bättre försvar för att motstå virusinfektion, och virus utvecklar sätt att övervinna dessa försvar. Ju bättre viruset är att anpassa sig som rovdjur, desto mer sannolikt är det att avtäcka sitt byte - och därmed själv. Detta fenomen kallas "Döda vinnaren", och Goldenfield och Xue säger att det skulle kunna lösa mångfaldsparoxen.

Predators och deras byte är mycket som Wile E. Coyote och Road Runner: De är alltid i en vapenlöpning för att se vem som kan smyga den andra, men de lever också i en slags harmoni. Om Wile E. Coyote sätter en fälla, tar Road Runner en annan väg för att undvika det. Då kan Wile E. Coyote ställa in två fällor, en på huvudvägen och en på omvägen. Men vad händer om det lyckas? Vem finns kvar för att byta ut?

Om Wile E. Coyote faktiskt var en framgångsrik rovdjur skulle den driva både sig själv och Road Runner till utrotning. Denna dynamik är en som Goldenfield undersökte i förhållandet mellan virus och bakterier, med hänsyn till faktorer som slumpmässig befolkningstillväxt. Han och Xue utvecklade en så kallad stokastisk modell som försöker fånga några av naturens slumpmässiga egenskaper för att göra en datorsimulering mer realistisk.

Med hjälp av det marina biologiska exemplet av plankton, som består av bakterier, alger, protozoer och andra mikroorganismer, visar Goldenfield och Xue hur virus håller konkurrerande medlemmar i ett samhälle under kontroll. Kort sagt hävdar de att det inte finns något sådant som ett "stadigt tillstånd" för en ekologisk gemenskap och att den alltid är i flux. Till exempel, när en protozoanart växer i befolkningen, har dess värdsspecifika virus mer byte. Därför går befolkningen i den protozoa arten tillbaka och lämnar mer resurser till sin bakterie granne, som sedan upplever en liknande boom och byst med sitt värdspecifika virus.

Därför är det uppenbara saldot i ett sådant system delvis ett resultat av konkurrensekologi - och delvis resultatet av genetisk variation som gör det möjligt för en art att slänga ut sina rovdjur - evolutionen.

"Våra resultat föreslår starkt att mångfald återspeglar det dynamiska samspelet mellan ekologiska och evolutionära processer, och drivs av hur långt systemet är från ett jämviktsekologiskt tillstånd (som kunde kvantifieras av avvikelser från detaljerat balans)", skriver Goldenfield och Xue.

Deras modell, som de kallar Coevolving Kill the Winner-modellen, står inte bara för ekologi utan också utveckling, och de säger att det är mycket mer holistiskt än tidigare modeller som bara står för resursanvändning.

"Inom bakteriegemenskapen har olika stammar olika tillväxtfrekvenser. De sameksisterar, utan dominerande vinnare, på grund av värdspecifika virus som kontrollerar motsvarande stammar. Detta resulterar i två lager av samexistens genom KtW-dynamik (bakterie-plankton sameksistens och bakteriell stam sameksistens), vilade som ryska dockor."

Är det en perfekt lösning? Ingalunda. Ingen datormodell kan fånga allt komplexitet i ett naturligt system. Men den här satsar mycket närmare än tidigare ansträngningar.