Fiziki rešujejo paradoks na področju biotske raznovrstnosti: "Ubij zmagovalca"

Ekosistemi uspevajo, kadar obstajajo številni organizmi, ki lahko opravljajo edinstvene funkcije in polnijo različne niše. Osnovna slika tega bi bila, kako rastline uporabljajo sončno svetlobo in vodo ter hranila, da rastejo, rastlinojedi jedo rastline, mesojedi jedo rastlinojedce in glive razgradijo vse mrtve snovi nazaj v hranilne snovi, ki jih bodo uporabljale rastline. Nekateri organizmi opravljajo enako funkcijo, kot je uživanje istega plena, in neposredno tekmujejo med seboj za to vlogo. Znanstveniki opisujejo to bogastvo vrst kot „biotsko raznovrstnost“, vendar so se vedno trudili, da bi v celoti razumeli njeno kompleksnost, in uskladili nekatere paradoksalne učinke biotske raznovrstnosti.

Eno od teh glavnih vprašanj je tako imenovani paradoks raznolikosti: zakaj ena boljša vrsta ne konkurira vsem svojim biološkim sosedam in jih pripelje do izumrtja. Znanstveniki bodo končno lahko rešili to uganko. V članku, objavljenem 28. decembra v reviji Fizična pisma za pregled Profesor fizike Nigel Goldenfield, dr. in njegov podiplomski študent Chi Xue, oba na Inštitutu za genomsko biologijo Carl R. Woese na Univerzi Illinois v Urbana-Champaign, raziskuje paradoks raznovrstnosti z dirko z mikrobiološkimi nevarnostmi.

Na primeru virusov, ki se hranijo z bakterijami, Goldenfield in Xue prikazujeta, kako plenilec in plen tekmujeta med seboj. Bakterije razvijajo boljše obrambne mehanizme, da vzdržijo virusni napad, virusi pa razvijejo načine za premagovanje teh obramb. Bolje je, da se virus prilagodi kot plenilca, bolj je verjetno, da bo uničil svoj plen - in zato tudi sam. Ta fenomen se imenuje »Kill the Winner« in Goldenfield in Xue pravita, da bi lahko rešila paradoks raznolikosti.

Predatorji in njihov plen so zelo podobni Wile E. Coyote in Road Runnerju: Vedno so v tekmi za orožje, da bi videli, kdo lahko nadmudri drugo, a tudi živijo v nekakšni harmoniji. Če Wile E. Coyote postavi past, Road Runner izbere drugačno pot, da se ji izogne. Potem bi Wile E. Coyote lahko postavil dve pasti, eno na glavni poti in eno na ovinek. Kaj pa, če uspe? Kdo je še vedno tisti, ki se lahko ogrne?

Če je bil Wile E. Coyote dejansko uspešen plenilec, bi vozil sam in Road Runner do izumrtja. Ta dinamika je raziskana v odnosu virusov in bakterij, pri čemer so upoštevali dejavnike, kot je na primer naključna rast prebivalstva. On in Xue sta razvila tako imenovani stohastični model, ki poskuša zajeti nekatere naključne narave, da bi računalniška simulacija postala bolj realistična.

Z uporabo primera morske biologije planktona, ki ga sestavljajo bakterije, alge, protozoe in drugi mikroorganizmi, Goldenfield in Xue prikazujeta, kako virusi ohranjajo konkurenčne člane skupnosti pod nadzorom. Skratka, trdijo, da ne obstaja "stabilno stanje" za ekološko skupnost in da je vedno v gibanju. Na primer, kot ena protozojska vrsta raste v populaciji, je virus specifičen za gostitelja bolj plen. Zaradi tega se populacija protozojskih vrst spušča, tako da soseda bakterij ostane več virov, ki nato doživijo podoben razcvet in propad z virusom, specifičnim za gostitelja.

Torej je navidezno ravnovesje v takem sistemu deloma posledica konkurence - ekologije - in delno rezultat genetske variacije, ki omogoča, da ena vrsta preseže svoje plenilce - evolucijo.

"Naši rezultati močno kažejo, da raznolikost odraža dinamično medsebojno delovanje med ekološkimi in evolucijskimi procesi, in je odvisna od tega, kako daleč je sistem iz ravnovesnega ekološkega stanja (kot bi ga lahko količinsko opredelili z odstopanji od podrobnega ravnovesja)," pišejo Goldenfield in Xue.

Njihov model, ki ga imenujejo Coevolving Kill model zmagovalca, se ne nanaša samo na ekologijo, ampak tudi na evolucijo, in pravijo, da je veliko bolj holističen od prejšnjih modelov, ki predstavljajo le rabo virov.

»V bakterijski skupnosti različni sevi imajo izrazito stopnjo rasti. Soobstojni, brez dominantnih zmagovalcev, zaradi specifičnih virusov, ki nadzorujejo ustrezne seve. Posledica tega sta dve plasti sožitja s KtW dinamiko (bakterijsko-planktonsko sožitje in soobstoj bakterijskih sevov), ki sta počivala kot ruske lutke."

Je to popolna rešitev? Nikakor. Noben računalniški model ne more zajeti vse kompleksnosti naravnega sistema. Toda ta stavi so veliko bližje kot prejšnja prizadevanja.