Фізики вирішили парадокс расової боротьби з біорізноманіттям: "Убийте переможця"

Екосистеми процвітають, коли існує велика кількість організмів, здатних виконувати унікальні функції і заповнювати різні ніші. Рудиментарна картина цього полягає в тому, як рослини використовують сонячне світло, воду і поживні речовини для росту, травоїдні тварини їдять рослини, м'ясоїдні їдять травоїдні тварини, а гриби розкладають всю мертву речовину назад у поживні речовини для використання рослинами. Деякі організми виконують ту ж саму функцію, як, наприклад, споживаючи одну і ту ж жертву, і безпосередньо конкурують один з одним за цю роль. Вчені описують це багатство видів як «біорізноманіття», але завжди намагалися повністю усвідомити його складність і примирити деякі з парадоксальних наслідків біорізноманіття.

Одним з цих головних питань є те, що відомо як парадокс різноманітності: чому один вищий вид не виходить із-за своїх біологічних сусідів і виганяє їх. Нарешті, учені могли б вирішити цю загадку. У документі опубліковано 28 грудня в журналі Фізичні букви огляду професор фізики Найджел Голденфілд, к.т.н. і його випускник Чи Сюе, як в Інституті геномної біології ім. Карла Р. Уузе в Урбані-Шампейн, досліджують парадокс різноманітності через гонку мікробних загроз.

На прикладі вірусів, які полюють на бактерії, Голденфілд і Сюе показують, як хижак і здобич конкурують між собою. Бактерії розвиваються краще захищають, щоб витримати вірусний напад, і віруси розробляють способи подолання цих захисних сил. Чим краще вірус пристосовується як хижак, тим частіше він знищує свою здобич - і, отже, сам. Це явище називається «Убийте переможця», а «Голденфілд» і «Сюе» кажуть, що це може вирішити парадокс різноманітності.

Хижаки і їхня здобич дуже схожі на Wile E. Coyote і Road Runner: вони завжди в гонці зброї, щоб побачити, хто може перехитрити іншого, але вони також живуть у певному гармонії. Якщо Wile E. Coyote встановлює пастку, дорожній бігун бере інший шлях, щоб уникнути цього. Тоді Wile E. Coyote може встановити дві пастки, одну на головний маршрут і одну на об'їзд. Але що, якщо це вдасться? Кого залишилося полювати?

Якщо Wile E. Coyote був насправді успішним хижаком, він би сам їздив і Дорожній бігун до вимирання. Ця динаміка є такою, яку Голденфілд досліджував у вірусно-бактеріальних відносинах, враховуючи такі фактори, як випадковий ріст населення. Він і Сюе розробили так звану стохастичну модель, яка намагається захопити деякі випадковість природи, щоб зробити комп'ютерне моделювання більш реалістичним.

Використовуючи приклад морської біології планктону, який складається з бактерій, водоростей, найпростіших та інших мікроорганізмів, Голденфілд і Сюе показують, як віруси контролюють конкуруючих членів спільноти. Коротше кажучи, вони стверджують, що не існує такої речі, як «стаціонарний стан» для екологічної спільноти, і що вона завжди знаходиться у перебігу. Наприклад, коли в популяції зростає один протозойний вид, його вірус, специфічний для господаря, має більше видобутку. Таким чином, популяція цих найпростіших видів знижується, залишаючи більше ресурсів для свого сусіда бактерії, який потім переживає подібний бум і бюст з його вірусом, специфічним для господаря.

Тому уявний баланс у такій системі частково є результатом конкуренції - екології - і частково результатом генетичної варіації, що дозволяє одному виду перехитрити своїх хижаків - еволюцію.

"Наші результати настійно свідчать про те, що різноманітність відображає динамічну взаємодію екологічних і еволюційних процесів, і обумовлена ​​тим, наскільки далеко система знаходиться від рівноважного екологічного стану (як це можна визначити кількісно через відхилення від детального балансу)", - пишуть Голденфілд і Сюе.

Їхня модель, яку вони називають моделлю Coevolving Kill Winner, припадає не тільки на екологію, але й на еволюцію, і вони кажуть, що вона набагато більш цілісна, ніж попередні моделі, які враховують лише використання ресурсів.

«Всередині бактеріальної спільноти різні штами мають чіткі темпи зростання. Вони співіснують, без домінуючих переможців, через специфічних для господаря вірусів, які контролюють відповідні штами. Це призводить до двох шарів співіснування за допомогою динаміки KtW (співіснування бактерій-планктону та співіснування бактеріальних штамів), що залишилися подібними до російських ляльок ».

Це ідеальне рішення? Ні в якому разі. Жодна комп'ютерна модель не може охопити всю складність природної системи. Але ця ставка набагато ближче, ніж попередні зусилля.