Fysikere Løs biodiversiteten Arms-Race Paradox: "Drep vinneren"

Økosystemer trives når det er en overflod av organismer som er i stand til å utføre unike funksjoner og fylle forskjellige nisjer. Et rudimentært bilde av dette ville være hvordan planter bruker sollys og vann og næringsstoffer til å vokse. Herbivorer spiser plantene, rovdyr spiser herbivorene, og sopp nedbryter alt det døde stoffet tilbake til næringsstoffene for plantene å bruke. Noen organismer utfører samme funksjon, som å konsumere det samme byttedyret, og konkurrerer direkte mot hverandre for denne rollen. Forskere beskriver denne rike arten som "biodiversitet", men har alltid slitt for å få full oppfatning av sin kompleksitet, og forene noen av de paradoksale effektene av biologisk mangfold.

Et av disse store spørsmålene er det som er kjent som mangfoldighetsparadoxet: Hvorfor en overlegen art ikke utkonkurrerer alle sine biologiske naboer og driver dem til utryddelse. Forskere kan endelig få en løsning på denne gåten. I et papir publisert 28. desember i tidsskriftet Fysisk gjennomgangstavler, fysikkprofessor Nigel Goldenfield, Ph.D. og hans kandidatstudent Chi Xue, begge ved Carl R. Woese Institutt for genomisk biologi ved University of Illinois i Urbana-Champaign, undersøker mangfoldsparadokset gjennom et våpen-race av mikrobielle trusler.

Ved hjelp av eksemplet på virus som bytter på bakterier, viser Goldenfield og Xue hvordan rovdyr og byttedyr konkurrerer om å være ute med hverandre. Bakterier utvikler bedre forsvar for å motstå virusangrep, og virus utvikler måter å overvinne disse forsvarene. Jo bedre viruset er å tilpasse seg som rovdyr, desto mer sannsynlig er det å avklare sitt byte - og dermed selv. Dette fenomenet heter "Kill the Winner", og Goldenfield og Xue sier at det kan løse mangfoldighetsparadoxet.

Rovdyr og deres bytte er mye som Wile E. Coyote og Road Runner: De er alltid i et våpenløp for å se hvem som kan smelte den andre, men de lever også i en slags harmoni. Hvis Wile E. Coyote setter en felle, tar Road Runner en annen rute for å unngå det. Deretter kan Wile E. Coyote sette to feller, en på hovedruten og en på omveien. Men hva om det lykkes? Hvem er der igjen for å bytte på?

Hvis Wile E. Coyote egentlig var en vellykket rovdyr, ville den kjøre begge seg selv og Road Runner til utryddelse. Denne dynamikken er en som Goldenfield undersøkte i forholdet mellom virus og bakterier, og tok hensyn til faktorer som tilfeldig populasjonsvekst. Han og Xue utviklet en såkalt stokastisk modell som forsøker å fange opp noen av tilfeldighetene i naturen for å gjøre en datasimulering mer realistisk.

Ved hjelp av det marine biologiske eksempelet på plankton, som består av bakterier, alger, protozoer og andre mikroorganismer, viser Goldenfield og Xue hvordan virusene holder konkurrerende medlemmer av et samfunn under kontroll. Kort sagt argumenterer de for at det ikke er noe slikt som en "stabil tilstand" for et økologisk samfunn, og at det alltid er i fluss. For eksempel, når en protozoanart vokser i befolkning, har dets vertsspesifikke virus flere byttedyr. Derfor går befolkningen i den protozoiske arten tilbake og gir mer ressurser til sin nabo til bakterien, som opplever en lignende boom og byste med sitt vertsspesifikke virus.

Derfor er den tilsynelatende balansen i et slikt system delvis et resultat av konkurranseekologi - og delvis resultatet av genetisk variasjon som gjør at en art kan smitte ut sine rovdyr - evolusjon.

"Våre resultater tyder sterkt på at mangfoldet gjenspeiler det dynamiske samspillet mellom økologiske og evolusjonære prosesser, og drevet av hvor langt systemet er fra en likeverdig økologisk tilstand (som kunne kvantifiseres ved avvik fra detaljert balanse)," skriver Goldenfield og Xue.

Modellen deres, som de kaller Coevolving Kill the Winner-modellen, regner ikke bare for økologi, men også utvikling, og de sier at det er mye mer helhetlig enn tidligere modeller som bare står for ressursbruk.

"Inne i bakterielle samfunn har forskjellige stammer tydelige vekstnivåer. De sameksisterer, uten dominerende vinnere, på grunn av vertsspesifikke virus som styrer de tilsvarende stammene. Dette resulterer i to lag av sameksistens gjennom KtW-dynamikk (bakterie-plankton-sameksistens og bakteriestammeeksistens), hvilte som russiske dukker."

Er det en perfekt løsning? På ingen måte. Ingen datamodell kan fange opp alt kompleksiteten til et naturlig system. Men denne satser mye nærmere enn tidligere innsats.