Er is een opmerkelijke biodiversiteit in alle behalve de meest extreme ecosystemen op aarde. Wanneer veel soorten strijden om dezelfde eindige hulpbron, een theorie die competitieve uitsluiting wordt genoemd, suggereert dat de ene soort beter zal presteren dan de andere en hen tot uitsterven drijft, biodiversiteit te beperken. Maar dit is niet wat we in de natuur waarnemen. Theoretische modellen van populatiedynamiek hebben geen volledig bevredigende verklaring gegeven voor wat bekend is geworden als de diversiteitsparadox.

Nu hebben onderzoekers van het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign nieuw licht geworpen op deze fundamentele vraag in de ecologie, door een populair voorgesteld scenario voor diversiteit te verbeteren dat bekend staat als 'Kill the Winner'. Chi Xue en Nigel Goldenfeld, ondersteund door het NASA Astrobiology Institute for Universal Biology, die Goldenfeld regisseert, benaderde de diversiteitsparadox vanuit het perspectief van niet-evenwichtige statistische mechanica.

Goldenfeld en Xue ontwikkelden een stochastisch model dat rekening houdt met meerdere factoren die in ecosystemen worden waargenomen, waaronder concurrentie tussen soorten en gelijktijdige predatie op de concurrerende soorten. Met behulp van bacteriën en hun gastheerspecifieke virussen als voorbeeld, de onderzoekers toonden aan dat naarmate de bacteriën hun verdediging tegen het virus ontwikkelen, de viruspopulatie evolueert ook om de bacteriën te bestrijden. Deze 'wapenwedloop' leidt tot een diverse populatie van beide en tot boom-bust-cycli wanneer een bepaalde soort het ecosysteem domineert en vervolgens instort - het zogenaamde 'Kill the Winner'-fenomeen. Deze co-evolutionaire wapenwedloop is voldoende om een ​​mogelijke oplossing te bieden voor de diversiteitsparadox.

Deze bevindingen werden op 28 december gepubliceerd, 2017, in Fysieke beoordelingsbrieven , in het artikel, "Co-evolutie handhaaft diversiteit in het stochastische 'Dood de winnaar'-model." ( PRL , 119, 268101, 2017).

Goldenfeld en Xue keken naar een klassiek voorbeeld van de diversiteitsparadox uit de mariene biologie, de paradox van het plankton. In waargenomen mariene ecosystemen, veel planktonsoorten en bacteriestammen bestaan ​​naast elkaar en hebben een grote diversiteit.

Goldenfeld legt uit, "Er zijn veel voorlopige hypothesen om de paradox op te lossen. Degene waarin we geïnteresseerd zijn, is de 'Kill the Winner' (KtW) -hypothese. In een notendop, het zegt dat het probleem met de diversiteitsparadox de aanname van een stabiele toestand is. Een echt ecosysteem is nooit in een stabiele toestand, maar ondergaat populatiefluctuaties als gevolg van het samenspel tussen roofdieren en prooien.

"Neem bijvoorbeeld concurrerende bacteriestammen, die elk ten prooi zijn aan een gastheerspecifiek virus. In dit scenario, zodra een bepaalde bacteriesoort begint te domineren in het ecosysteem, het virus (of bacteriële faag) dat bij voorkeur op die gastheer jaagt, zal veel doelen hebben, en zo zal zich vermenigvuldigen, het doden van de gastheerbacteriënpopulatie. Na deze virale aanval een andere bacteriesoort kan een tijdlang als de meest voorkomende verschijnen, totdat zijn populatie eveneens wordt verminderd door zijn bacteriële faag. Deze gastheerspecifieke predatie handhaaft het naast elkaar bestaan ​​van concurrerende soorten door te voorkomen dat een winnaar tevoorschijn komt, zodat in zekere zin soorten gaan door boom-bust cycli van overvloed."

"Bovendien, "Xue voegt eraan toe, "in een systeem waar plankton met bacteriën concurreert om een ​​hulpbron, een protozoaire groep die op alle bacteriestammen jaagt, onderdrukt niet-selectief de populatie van de hele bacteriegemeenschap en laat zo ruimte voor planktonsoorten om te overleven. Het idee van KtW werkt hier op twee lagen:het naast elkaar bestaan ​​van bacteriën en plankton als eerste laag, en het naast elkaar bestaan ​​van bacteriestammen als tweede. Het is een zeer aantrekkelijke theorie en is een van de meest invloedrijke ideeën in de mariene ecologie geworden."

Echter, de oorspronkelijke formulering van KtW vereiste een veelgebruikte technische vereenvoudiging. Xue wijst erop, "Het originele KtW-model hield geen rekening met ruimtelijke variaties of fluctuatie-effecten, en werd geformuleerd in termen van continue biomassaconcentraties en deterministische gewone differentiaalvergelijkingen. Het belang hiervan is dat het ten onrechte verklaart wat er gebeurt als virussen bacteriën aanvallen, bijvoorbeeld. In deze formulering de populatie bacteriën in een gebied in de ruimte kan tijdens virale predatie steeds kleiner worden, maar bereikt nooit nul. In zekere zin, de theorie staat toe dat het aantal bacteriën een fractie is, terwijl het in werkelijkheid een geheel getal moet zijn zoals nul, een, twee, enz. Dus de theorie onderschat wat er gebeurt tijdens een virale aanval, en in het bijzonder kan uitsterven niet vastleggen."

Om verder te gaan dan het vereenvoudigde model, Xue en Goldenfeld ontwikkelden een stochastisch model van bacterie-virus-interacties dat populatiefluctuaties zou kunnen beschrijven, om te zien of het KtW-scenario echt is voortgekomen uit berekeningen die gedetailleerder zijn dan voorheen.

Hun model beschreef de uitkomst van de ontmoetingen tussen bacteriën en virussen met behulp van een methode die vergelijkbaar is met die welke wordt gebruikt in de statistische thermodynamica om botsende atomen in een gas te beschrijven. Net zoals men de eigenschappen van gassen - zoals geluidsgolven en thermische effecten - kan berekenen door de atomaire botsingen te begrijpen, Xue en Goldenfeld gebruikten statistische mechanica-methoden om het gedrag van populaties te berekenen op basis van het begrijpen van ontmoetingen tussen bacteriën en virussen.

Goldenfeld legde uit dat het KtW-scenario niet met de hand in hun berekeningen is verwerkt. Hun doel was om de interacties tussen bacteriën en virussen op individueel niveau te modelleren om te zien of KtW ontstond. Echter, uit hun simulaties, Xue en

Goldenfeld was verrast toen hij ontdekte dat de soorten in hun model niet eens naast elkaar bestonden, laat staan ​​dat ze KtW-dynamiek vertoonden - ze werden tot uitsterven gedreven!

Xue merkte op, "De ineenstorting van het originele KtW-model in de aanwezigheid van stochasticiteit was een verrassing voor ons. Stochasticiteit vertegenwoordigt iets dat dichter bij de willekeur van de natuur staat. We hadden niet verwacht dat dit zeer redelijke model zou falen." De onderzoekers realiseerden zich dat er een andere manier is waarop ecosystemen niet in een stabiele toestand verkeren, los van de populatiefluctuaties die ze hadden geprobeerd te modelleren.

Ook echte ecosystemen evolueren. Inderdaad, toen ze ook co-evolutie in hun model hadden opgenomen, het model recapituleerde de in de natuur waargenomen biodiversiteit.

Goldenfeld beschrijft, "In het geval van het ecosysteem in ons voorbeeld van mariene biologie, er is co-evolutie van elke bacteriestam en zijn gastheerspecifieke virus terwijl ze concurreren in wat kan worden omschreven als een wapenwedloop. Terwijl de bacteriën manieren vinden om de aanval van virussen te ontwijken, de virussen evolueren om de nieuwe verdediging tegen te gaan. In dit meegroeiende KtW-model, de wapenwedloop wordt gedreven door mutaties die ontstaan ​​in zowel bacteriële als virale stammen."

Xue voegt toe, dit idee heeft steun van genomics. "Onderzoekers, vooral in de mariene microbiële ecologie, hebben ontdekt dat verschillende bacteriestammen een sterke variatie vertonen in regio's van hun genomen waarvan wordt aangenomen dat ze geassocieerd zijn met faagresistentie. Deze observatie koppelt de diversiteit van bacteriële genomen aan de viruspredatie en stemt overeen met ons co-evoluerende KtW-raamwerk."

"En het uitstervenprobleem kan nu worden vermeden, Xue gaat verder. "Als een soort uitsterft, het, of iets in de buurt ervan, kan later alsnog als mutant uit een andere stam tevoorschijn komen. Dit co-evolutionaire mechanisme werkt naast ruimtelijke heterogeniteit, wat ook bijdraagt ​​aan diversiteit:als een bepaalde soort uitsterft in een bepaald gebied van de ruimte, het is mogelijk dat het opnieuw kan worden gezaaid door de migratie of verspreiding van die soort van ergens anders. Dus, op lange tijdschalen, de diversiteit van het systeem blijft behouden."

Goldenfeld zegt dat het bevredigend was om te zien hoe het team door het gebruik van stochastische modellering de reeds bekende co-evolutionaire wapenwedloop in een eenvoudig model kon opnemen. waaruit de Kill-the-Winner-dynamiek voortkwam.

"Het KtW-model is een zeer belangrijk idee, " beweert hij, "maar het moet worden aangevuld met aanvullende factoren zoals co-evolutie en ruimtelijke variatie. Ons werk demonstreert de afbraak van de eenvoudigste maar meest gebruikte versie van de theorie en biedt een manier om de verklarende kracht te herstellen. Het is opwindend dat onze theoretische model legde niet alleen de diversiteit vast die we probeerden uit te leggen, maar is ook consistent met een schijnbaar losgekoppelde reeks gegevens op het gebied van genomica, dus een bevredigend verhaal dat werkt van het niveau van ecosystemen tot aan het genoom zelf."

Goldenfeld en Xue zijn van plan om deze onderzoekslijn verder te zetten. Ze speculeren dat diversiteit over het algemeen gerelateerd is aan hoe ver een ecosysteem verwijderd is van evenwicht. Toekomstig werk zal proberen de relatie tussen diversiteit en de afstand tot evenwicht te kwantificeren.

De resultaten van deze theoretische studie zijn in principe testbaar in experimenten:

"Ik ben het meest enthousiast over de mogelijkheid dat het co-evoluerende KtW-model kan worden getest door experimenten uit te voeren met co-evoluerende bacteriën en fagen, " Xue merkt op. "De korte reproductietijd en hoge mutatiefrequentie maken microbiële systemen een goede kandidaat om modellen te testen waarin evolutionaire en ecologische dynamiek op dezelfde tijdschaal plaatsvinden."

De belangstelling van de onderzoekers voor dit probleem kwam voort uit een schijnbaar ander wetenschapsgebied. Goldenfeld legt uit dat dit werk implicaties heeft voor open vragen in de astrobiologie en voor het detecteren van leven op buitenaardse werelden.

"De diversiteit van ecosystemen, vooral microbiële, is een sleutelfactor bij het begrijpen van de waarschijnlijkheid dat het leven voldoende houvast kan krijgen in een planetaire omgeving, niet alleen om te overleven, maar ook om op te sporen. Met de baanbrekende ontdekking door de Cassini-missie van mondiale oceanen van vloeibaar water op Europa (maan van Jupiter) en Enceladus (maan van Saturnus), mariene microbiële ecologie staat op het punt een nog actiever onderdeel van de astrobiologie te worden. Het begrijpen van de fundamentele mechanismen die de biodiversiteit aandrijven - een alomtegenwoordig kenmerk van terrestrische ecosystemen - zal ons helpen de waarneembaarheid van niet-terrestrisch leven te voorspellen op werelden die de komende decennia binnen het bereik van onze sondes zullen liggen."