Физиците решават парадокса на расата на биологичното разнообразие: "Убийте победителя"

Екосистемите процъфтяват, когато има изобилие от организми, способни да изпълняват уникални функции и да запълват различни ниши. Елементарна картина на това би била как растенията използват слънчева светлина и вода и хранителни вещества, за да растат, тревопасните ядат растенията, месоядните ядат тревопасните животни, а гъбите разграждат всички мъртви вещества обратно в хранителни вещества, които растенията да използват. Някои организми изпълняват същата функция, като консумират една и съща плячка, и пряко се конкурират помежду си за тази роля. Учените описват това богатство на видовете като „биоразнообразие“, но винаги са се борили да осъзнаят неговата сложност и съвместяват някои от парадоксалните ефекти на биологичното разнообразие.

Един от тези основни въпроси е това, което е известно като парадокс на разнообразието: Защо един по-висш вид не се конкурира с всичките си биологични съседи и ги кара да изчезнат. Накрая учените най-накрая ще имат решение на тази загадка. В статия, публикувана на 28 декември в дневника Физически букви за преглед д-р Найджъл Голдънфийлд, професор по физика. и неговият възпитаник Chi Xue, и двамата в Института по геномна биология на Carl R. Woese в Университета на Илинойс в Urbana-Champaign, изследват парадокса на разнообразието чрез раса на оръжие от микробни заплахи.

Използвайки примера на вирусите, които се поддават на бактерии, Goldenfield и Xue показват как хищникът и плячката се конкурират, за да се изпреварват. Бактериите развиват по-добра защита, за да издържат на вирусна атака, а вирусите разработват начини за преодоляване на тези защити. Колкото по-добре вирусът се адаптира като хищник, толкова по-вероятно е да унищожи неговата плячка - и следователно и самата. Това явление се нарича „Убий победителя“, а „Голдънфийлд“ и „Сюе“ казват, че това може да разреши парадокса на разнообразието.

Хищниците и тяхната плячка са много като Wile E. Coyote и Road Runner: Те винаги са в надпревара с оръжие, за да видят кой може да надхитри другия, но те също живеят в хармония. Ако Уил Е. Койот постави капан, Пътят се движи по различен начин, за да го избегне. Тогава Wile E. Coyote може да постави два капана, един на главния път и един на отклонение. Но какво, ако успее? Кой е останал да се подхранва?

Ако Уил Е. Койот всъщност беше успешен хищник, той щеше да управлява и двете и Пътеката до изчезване. Тази динамика е тази, която Goldenfield изследва във връзка с вирусните бактерии, като отчита фактори като случайно нарастване на населението. Той и Сюе разработиха така наречения стохастичен модел, който се опитва да улови някои от случайностите на природата, за да направи компютърната симулация по-реалистична.

Използвайки примера на морската биология на планктон, който се състои от бактерии, водорасли, протозои и други микроорганизми, Goldenfield и Xue показват как вирусите пазят контролираните членове на общността. Накратко, те твърдят, че няма такова нещо като „стабилно състояние“ за една екологична общност и че то винаги е в промяната. Например, тъй като в популацията нараства един протозоен вид, неговият специфичен за гостоприемника вирус има по-голяма плячка. Следователно, популацията на протозойните видове се връща обратно, оставяйки повече ресурси за съседката на бактерията, която след това преживява подобен бум и бюст с неговия специфичен за приемащия вирус.

Следователно, видимото равновесие в такава система е отчасти резултат от конкуренцията - екология - и отчасти от генетичната вариация, която позволява на един вид да надхитри хищниците - еволюция.

„Нашите резултати показват, че многообразието отразява динамичното взаимодействие между екологичните и еволюционните процеси и се движи от това доколко системата е от равновесно екологично състояние (както може да се определи количествено от отклонения от подробния баланс)”, пишат Goldenfield и Xue.

Техният модел, който те наричат ​​модела на Coevolving Kill, е не само за екологията, но и за еволюцията, и казват, че е много по-цялостен от предишните модели, които отчитат само използването на ресурсите.

„Във бактериалната общност различните щамове имат отчетливи темпове на растеж. Те съжителстват, без доминиращи победители, поради специфичните за хоста вируси, които контролират съответните щамове. Това води до два слоя на съжителство чрез KtW динамика (съжителство на бактерии-планктон и съжителство на бактериални щамове), почивани като руски кукли."

Това ли е идеалното решение? В никакъв случай. Никой компютърен модел не може да улови цялата сложност на естествената система. Но това залага много по-близо от предишните усилия.