Физики решают парадокс гонки вооружений в биоразнообразии: «Убей победителя»

Экосистемы процветают, когда существует множество организмов, способных выполнять уникальные функции и заполнять разные ниши. Элементарной картиной этого будет то, как растения используют солнечный свет, воду и питательные вещества для роста, травоядные едят растения, плотоядные животные едят травоядных, а грибы разлагают всю мертвую материю обратно в питательные вещества для использования растениями. Некоторые организмы выполняют одну и ту же функцию, подобно потреблению одной и той же добычи, и напрямую конкурируют друг с другом за эту роль. Ученые описывают это богатство видов как «биоразнообразие», но всегда изо всех сил пытались в полной мере осознать его сложность и примирить некоторые из парадоксальных последствий биоразнообразия.

Один из этих основных вопросов - это так называемый парадокс разнообразия: почему один превосходящий вид не конкурирует со всеми своими биологическими соседями и не ведет к их исчезновению. Ученые могут, наконец, решить эту загадку. В статье, опубликованной 28 декабря в журнале Письма о физическом обзоре, профессор физики Найджел Голденфилд, доктор философии и его аспирант Чи Сюэ, оба из Института геномной биологии им. Карла Р. Воса при Иллинойском университете в Урбана-Шампейн, исследуют парадокс разнообразия посредством гонки вооружений с микробными угрозами.

На примере вирусов, которые охотятся на бактерии, Голденфилд и Сюэ показывают, как хищники и жертвы конкурируют друг с другом. Бактерии создают лучшую защиту, чтобы противостоять вирусной атаке, а вирусы разрабатывают способы преодоления этой защиты. Чем лучше вирус приспосабливается как хищник, тем больше вероятность того, что он уничтожит свою жертву - и, следовательно, самого себя. Это явление называется «Убей победителя», и Голденфилд и Сюэ говорят, что оно может разрешить парадокс разнообразия.

Хищники и их жертвы во многом похожи на Уайла Э. Койота и дорожного бегуна: они всегда в гонке вооружений, чтобы узнать, кто может перехитрить других, но они также живут в гармонии. Если Wile E. Coyote устанавливает ловушку, Road Runner выбирает другой маршрут, чтобы избежать его. Тогда Уайл Э. Койот может установить две ловушки, одну на главном маршруте и одну в объезд. Но что, если это удастся? На кого еще можно охотиться?

Если бы Уайл Э. Койот был на самом деле успешным хищником, он бы сам себя загнал. а также Road Runner на вымирание. Эта динамика является той, которую Голденфилд исследовал в отношениях вирус-бактерия, принимая во внимание такие факторы, как случайный рост населения. Он и Сюэ разработали так называемую стохастическую модель, которая пытается уловить некоторые случайности природы, чтобы сделать компьютерное моделирование более реалистичным.

На примере морской биологии планктона, в состав которого входят бактерии, водоросли, простейшие и другие микроорганизмы, Голденфилд и Сюэ показывают, как вирусы держат под контролем конкурирующие члены сообщества. Короче говоря, они утверждают, что не существует такого понятия, как «устойчивое состояние» для экологического сообщества, и что оно всегда в движении. Например, поскольку один вид простейших растет в популяции, его специфичный для хозяина вирус имеет больше жертв. Таким образом, популяция этого вида простейших уменьшается, оставляя больше ресурсов для своего соседа по бактериям, который затем испытывает подобный бум и спад со своим специфичным для хозяина вирусом.

Следовательно, кажущийся баланс в такой системе частично является результатом конкуренции - экология - и частично результатом генетической изменчивости, которая позволяет одному виду перехитрить своих хищников - эволюцию.

«Наши результаты убедительно свидетельствуют о том, что разнообразие отражает динамическое взаимодействие между экологическими и эволюционными процессами и зависит от того, насколько далеко система находится от равновесного экологического состояния (которое может быть количественно определено отклонениями от детального баланса)», - пишут Голденфилд и Сюэ.

Их модель, которую они называют моделью Coevolving Kill the Winner, объясняет не только экологию, но и эволюцию, и они говорят, что она гораздо более целостна, чем предыдущие модели, которые учитывают только использование ресурсов.

«Внутри бактериального сообщества разные штаммы имеют разные скорости роста. Они сосуществуют без доминирующих победителей из-за специфических для хозяина вирусов, контролирующих соответствующие штаммы. Это приводит к двум слоям сосуществования посредством динамики KtW (сосуществование бактерий с планктоном и сосуществование бактериальных штаммов), покоящихся как русские куклы ».

Это идеальное решение? Ни в коем случае. Ни одна компьютерная модель не может охватить всю сложность естественной системы. Но эта ставка намного ближе, чем предыдущие усилия.