פיסיקאים לפתור את המגוון הביולוגי גזע מירוץ פרדוקס: "להרוג את הזוכה"

מערכות אקולוגיות משגשגות כאשר יש שפע של אורגניזמים המסוגלים לבצע פונקציות ייחודיות וממלאים נישות שונות. תמונה ראשונית של זה יהיה איך להשתמש במפעלי השמש ומים וחומרים מזינים לגדול, אוכלי עשב אוכלים את הצמחים, טורפים אוכלים את אוכלי העשב, ופטריות לפרק את כל החומר המת לתוך חומרי הזנה עבור הצמחים להשתמש. כמה אורגניזמים מבצעים את אותה פונקציה, כמו לצרוך אותו טרף, ומתחרים ישירות זה בזה על התפקיד הזה. מדענים מתארים את העושר הזה של מינים כ"מיגוון ביולוגי ", אך תמיד נאבקו להבין את המורכבות שלו, ולפייס חלק מן ההשפעות הפרדוקסיות של המגוון הביולוגי.

אחת השאלות הגדולות האלה היא מה שמכונה פרדוקס המגוון: מדוע מינים עליונים אינם מסתדרים - מתחרים בכל שכנותיה הביולוגיות ומסיעים אותם להכחדה. ייתכן שלמדענים יש סוף סוף פתרון לחידה זו. במאמר שפורסם ב -28 בדצמבר בכתב העת סקירה פיזית מכתבים, פרופסור לפיזיקה נייג'ל גולדנפילד, Ph.D. ואת סטודנט לתואר שני שלו צ 'י שיואה, שניהם בבית קרל ר' ווז המכון ביולוגיה גנומית באוניברסיטת אילינוי באורבנה- Champaign, לחקור את פרדוקס המגוון באמצעות מרוץ חימוש של איומים מיקרוביאליים.

באמצעות הדוגמה של וירוסים כי טרף על חיידקים, גולדנפילד ו Xue להראות איך טורף טרף להתחרות על שנינות אחד לשני. חיידקים מפתחים הגנות טובות יותר כדי לעמוד בהתקפה ויראלית, וירוסים מפתחים דרכים להתגבר על אותן הגנות. ככל שהווירוס טוב יותר בהתאמתו כטורף, כך גדל הסיכוי שהוא יחסל את טרפו - ולכן גם את עצמו. תופעה זו נקראת "להרוג את הזוכה", ואת גולדנפילד ו Xue אומר שזה יכול לפתור את הפרדוקס מגוון.

הטורפים והטרף שלהם הם הרבה כמו Wile E. Coyote ו Runner Runner: הם תמיד במירוץ זרועות כדי לראות מי יכול להערים על השני, אבל הם גם חיים במין הרמוניה. אם Wile E. Coyote מגדיר מלכודת, כביש Runner לוקח מסלול אחר כדי למנוע את זה. ואז וייל קויוטי עשוי להגדיר שתי מלכודות, אחת על המסלול הראשי ואחת על המעקף. אבל מה אם זה יצליח? מי נשאר לטרוף?

אם Wile E. Coyote היה למעשה טורף מוצלח, הוא היה נוהג גם את עצמו ו את הכביש ראנר על הכחדה. דינמיקה זו היא אחת כי גולדנפילד נבדק במערכת החיידקים וירוס, מביא בחשבון גורמים כמו גידול האוכלוסייה אקראי. הוא ו Xue פיתחו מודל סטוכסטי שנקרא כי מנסה ללכוד כמה אקראיות של הטבע כדי להפוך את המחשב סימולציה מציאותית יותר.

באמצעות דוגמת הביולוגיה הימית של פלנקטון, המורכבת מחיידקים, אצות, פרוטוזואה ומיקרואורגניזמים אחרים, גולדפילד ו Xue מראים כיצד וירוסים שומרים על המתחרים החברים בקהילה בשליטה. בקיצור, הם טוענים כי אין דבר כזה "מצב יציב" עבור הקהילה האקולוגית וכי הוא תמיד שטף. לדוגמה, כמו מינים אחד פרוטוזהא גדל באוכלוסייה, וירוס ספציפי המארח שלה יש טרף יותר. לכן, אוכלוסיית המינים הפרוטוזואנים חוזרת למטה, ומשאירה יותר משאבים לשכן החיידק שלה, אשר חווה אז בום וחזה דומה עם הנגיף הספציפי שלה.

לכן, האיזון הנראה במערכת כזו הוא בחלקו תוצאה של תחרות - אקולוגיה - ובחלקה תוצאה של וריאציה גנטית המאפשרת למין אחד להערים על טורפיו - אבולוציה.

"התוצאות שלנו מצביעות על כך שהגיוון משקף את יחסי הגומלין הדינמיים בין התהליכים האקולוגיים והאבולוציוניים, ומניע את המרחק בין המערכת לבין מצב שיווי משקל אקולוגי (כפי שניתן לכמת על ידי חריגות מאיזון מפורט)", כותבים גולדנפילד ושו.

המודל שלהם, שאותו הם מכנים מודל Coevolving להרוג את המודל המנצח, מסביר לא רק אקולוגיה אלא גם אבולוציה, והם אומרים שזה הרבה יותר הוליסטי מאשר מודלים קודמים, כי רק להסביר את השימוש במשאבים.

"בתוך הקהילה בקטריאלי, זנים שונים יש שיעורי צמיחה מובהקים. הם מתקיימים יחד, ללא זוכים דומיננטיים, בשל וירוסים ספציפיים למארח השולטים בזנים המתאימים. התוצאה היא שתי שכבות של דו-קיום באמצעות דינמיקה של KtW (חיידקים-פלנקטון דו-קיום וחיידק חיידקי), נחו כמו בובות רוסיות ".

האם זה פתרון מושלם? ללא משמעות. אין מודל מחשב יכול ללכוד את כל המורכבות של מערכת טבעית. אבל זה אחד הימורים הרבה יותר קרוב מאשר המאמצים הקודמים.