Fyzici riešia rasy paradoxov biodiverzity: "Zabi víťaza"

Ekosystémy prosperujú, keď je množstvo organizmov schopných plniť jedinečné funkcie a zapĺňať rôzne výklenky. Základným obrazom toho by bolo, ako rastliny používajú slnečné svetlo a vodu a živiny na rast, bylinožravce jedia rastliny, mäsožravce jedia bylinožravce a huby rozkladajú všetky odumreté látky späť na živiny pre rastliny, ktoré majú používať. Niektoré organizmy vykonávajú rovnakú funkciu, napríklad konzumujú rovnakú korisť, a priamo si navzájom konkurujú o túto úlohu. Vedci opisujú toto bohatstvo druhov ako „biodiverzitu“, ale vždy sa snažili naplno pochopiť jeho komplexnosť a zmierniť niektoré z paradoxných účinkov biodiverzity.

Jednou z týchto hlavných otázok je to, čo je známe ako paradox rozmanitosti: Prečo jeden nadriadený druh nekonkuruje všetkým svojim biologickým susedom a nenúti ich k zániku. Vedci by mohli konečne vyriešiť túto hádanku. V novinách publikovaných 28. decembra v časopise Fyzické prehľadové listy profesor fyziky Nigel Goldenfield, Ph.D. a jeho postgraduálny študent Chi Xue, oba na Inštitúte Carl R. Woese pre Genomickú biológiu na University of Illinois v Urbane-Champaign, skúma paradox rozmanitosti prostredníctvom rasy mikrobiálnych hrozieb.

Pomocou príkladu vírusov, ktoré sa živia baktériami, Goldenfield a Xue ukazujú, ako sa predátor a korisť navzájom súťažia. Baktérie vyvíjajú lepšiu obranyschopnosť, aby odolali vírusovému útoku, a vírusy vyvíjajú spôsoby, ako prekonať túto obranu. Čím lepšie sa vírus prispôsobuje ako predátor, tým väčšia je pravdepodobnosť, že sa mu podarí deprimovať svoju korisť - a teda aj samotnú. Tento jav sa nazýva „Kill the Winner“ a Goldenfield a Xue hovoria, že by to mohlo vyriešiť paradox rozmanitosti.

Predátori a ich korisť sú ako Wile E. Coyote a Road Runner: Sú vždy v pretekoch zbrane, aby videli, kto môže prekabátiť druhého, ale tiež žijú v akejsi harmónii. Ak Wile E. Coyote nastaví pascu, Road Runner sa vydá inou cestou, ako sa jej vyhnúť. Wile E. Coyote potom môže nastaviť dva pasce, jeden na hlavnej trase a druhý na obchádzku. Ale čo keď sa to podarí? Kto je tam na koži?

Ak by bol Wile E. Coyote vlastne úspešným predátorom, tak by sám poháňal a Road Runner k zániku. Táto dynamika je taká, akú Goldenfield skúmal vo vzťahu vírus-baktérie, čím sa zohľadnili faktory, ako je náhodný rast populácie. On a Xue vyvinuli takzvaný stochastický model, ktorý sa pokúša zachytiť niektoré náhodnosti prírody, aby sa počítačová simulácia stala realistickejšou.

S použitím príkladov morskej biológie planktónu, ktorý sa skladá z baktérií, rias, prvokov a iných mikroorganizmov, Goldenfield a Xue ukazujú, ako vírusy udržujú konkurenčných členov komunity pod kontrolou. Stručne povedané, tvrdia, že pre ekologickú komunitu neexistuje žiadna taká vec ako „ustálený stav“ a že je to vždy v súlade. Napríklad, keď jeden druh prvokov rastie v populácii, jeho hostiteľský vírus má viac koristi. Preto sa populácia tohto druhu prvokov vráti späť, pričom ponechá viac zdrojov pre svojho bakteriálneho suseda, ktorý potom zažije podobný boom a poprsie so svojím vírusom špecifickým pre hostiteľa.

Zjavná rovnováha v takomto systéme je preto čiastočne výsledkom hospodárskej súťaže - ekológie - a čiastočne výsledkom genetickej variácie, ktorá umožňuje jednému druhu prekabátiť jeho predátorov - evolúciu.

„Naše výsledky silne naznačujú, že rozmanitosť odráža dynamickú súhru medzi ekologickými a evolučnými procesmi a je poháňaná tým, do akej miery je systém z rovnovážneho ekologického stavu (ako je možné kvantifikovať odchýlkami od podrobnej bilancie),“ píše Goldenfield a Xue.

Ich model, ktorý nazývajú model Coevolving Kill the Winner, nie je len pre ekológiu, ale aj pre evolúciu, a hovoria, že je to oveľa holistickejšie ako predchádzajúce modely, ktoré zohľadňujú len využívanie zdrojov.

„Vo vnútri bakteriálnej komunity majú rôzne kmene odlišné tempo rastu. Súbežne, bez dominantných víťazov, kvôli hostiteľom špecifickým vírusom, ktoré riadia zodpovedajúce kmene. Výsledkom sú dve vrstvy koexistencie prostredníctvom dynamiky KtW (koexistencia baktérií a planktónu a koexistencia bakteriálnych kmeňov), ktoré spočívali ako ruské bábiky. “

Je to ideálne riešenie? V žiadnom prípade. Žiadny počítačový model nemôže zachytiť celú zložitosť prirodzeného systému. Ale toto sa stávky oveľa bližšie ako predchádzajúce úsilie.