Fysikere Løs biodiversiteten Arms-Race Paradox: "Dræb vinderen"

Økosystemer trives, når der er en overflod af organismer, der er i stand til at udføre unikke funktioner og fylde forskellige nicher. Et rudimentært billede af dette ville være, hvordan planter bruger sollys og vand og næringsstoffer til at vokse, plantelevende planter spiser planterne, kødædende spiser plantelevende dyr, og svampe nedbryder alt det døde stof tilbage i næringsstoffer til planterne at bruge. Nogle organismer udfører samme funktion, som at forbruge det samme bytte og konkurrere direkte mod hinanden for denne rolle. Forskere beskriver denne rigdom af arter som "biodiversitet", men har altid kæmpet for at få fuld mening af dens kompleksitet og forene nogle af de paradoksale virkninger af biodiversitet.

Et af disse store spørgsmål er, hvad der er kendt som diversitetsparadoxet: Hvorfor en overlegen art ikke konkurrerer alle sine biologiske naboer og driver dem til udryddelse. Forskere kan endelig få en løsning på denne gåde. I et papir udgivet 28. december i tidsskriftet Fysiske Review Letters, fysikprofessor Nigel Goldenfield, Ph.D. og hans kandidatstuderende Chi Xue, begge på Carl R. Woese Institut for Genomisk Biologi ved University of Illinois i Urbana-Champaign, undersøger mangfoldighedsparadoxet gennem et våben-race af mikrobielle trusler.

Ved hjælp af eksemplet på vira, der byder på bakterier, viser Goldenfield og Xue hvordan rovdyr og byttedyr konkurrerer med hinanden. Bakterier udvikler bedre forsvar for at modstå virusangreb, og vira udvikler måder at overvinde disse forsvar. Jo bedre viruset er ved at tilpasse sig som rovdyr, desto mere sandsynligt er det at decimere sit bytte - og derfor selv. Dette fænomen hedder "Kill the Winner", og Goldenfield og Xue siger, at det kunne løse mangfoldighedsparadoxet.

Rovdyr og deres bytte er meget som Wile E. Coyote og Road Runner: De er altid i et våbenløbet for at se, hvem der kan smøre den anden, men de lever også i en slags harmoni. Hvis Wile E. Coyote sætter en fælde, tager Road Runner en anden rute for at undgå det. Så kan Wile E. Coyote sætte to fælder, en på hovedruten og en på omvejen. Men hvad hvis det lykkes? Hvem er der tilbage til at bytte på?

Hvis Wile E. Coyote faktisk var en succesfuld rovdyr, ville den køre begge sig selv og Road Runner til udryddelse. Denne dynamik er en, som Goldenfield undersøgte i forholdet mellem virus og bakterier, idet der tages hensyn til faktorer som tilfældig befolkningsvækst. Han og Xue udviklede en såkaldt stokastisk model, der forsøger at fange nogle af tilfældighederne i naturen for at gøre en computersimulering mere realistisk.

Ved hjælp af det marine biologiske eksempel på plankton, der består af bakterier, alger, protozoer og andre mikroorganismer, viser Goldenfield og Xue hvordan vira holder konkurrerende medlemmer af et fællesskab under kontrol. Kort sagt hævder de, at der ikke er noget som en "stabil tilstand" for et økologisk samfund, og at det altid er i flux. For eksempel, når en protozoanart vokser i befolkningen, er dens værtsspecifikke virus mere byttet. Derfor går befolkningen i den protozoiske art tilbage og forlader flere ressourcer til sin bakteriebarn, som derefter oplever en lignende boom og buste med dets værtsspecifikke virus.

Derfor er den tilsyneladende balance i et sådant system dels et resultat af konkurrenceøkologi - og dels resultatet af genetisk variation, der gør det muligt for en art at udslette sine rovdyr - evolution.

"Vores resultater tyder på, at mangfoldighed afspejler det dynamiske samspil mellem økologiske og evolutionære processer, og drevet af, hvor langt systemet er fra en ligevægtende økologisk tilstand (som kunne kvantificeres ved afvigelser fra detaljeret balance)," skriver Goldenfield og Xue.

Deres model, som de kalder Coevolving Kill the Winner-modellen, tegner sig ikke bare for økologi, men også udvikling, og de siger, at den er meget mere holistisk end tidligere modeller, der kun tegner sig for ressourceanvendelse.

"Inden for bakterielle samfund har forskellige stammer forskelle i væksten. De sameksisterer uden dominerende vindere på grund af værtsspecifikke vira, der styrer de tilsvarende stammer. Dette resulterer i to lag af sameksistens gennem KtW-dynamik (bakterie-plankton-sameksistens og bakteriestammeeksistens), hvilet som russiske dukker."

Er det en perfekt løsning? Overhovedet ikke. Ingen computer model kan fange hele kompleksiteten af ​​et naturligt system. Men denne satser meget tættere end tidligere indsatser.