Natuurkundigen lossen de biodiversiteit-arms-raceparadox op: "Kill the Winner"

Ecosystemen gedijen goed wanneer er een overvloed aan organismen is die unieke functies kunnen vervullen en verschillende niches kunnen vullen. Een rudimentair beeld hiervan zou zijn hoe planten zonlicht en water en voedingsstoffen gebruiken om te groeien, planteneters de planten eten, carnivoren de herbivoren opeten en schimmels alle dode materie terug in voedingsstoffen ontbinden zodat de planten ze kunnen gebruiken. Sommige organismen vervullen dezelfde functie, zoals het consumeren van dezelfde prooi, en concurreren rechtstreeks met elkaar voor deze rol. Wetenschappers beschrijven deze rijkdom aan soorten als "biodiversiteit", maar hebben altijd moeite gehad om de complexiteit ervan volledig te begrijpen en enkele van de paradoxale effecten van biodiversiteit met elkaar te verzoenen.

Een van deze belangrijke vragen is wat bekend staat als de diversiteitsparadox: waarom een ​​superieure soort niet alle andere biologische buren uittrekt en ze met uitsterven bedreigt. Wetenschappers hebben misschien eindelijk een oplossing voor dit raadsel. In een paper gepubliceerd op 28 december in het tijdschrift Physical Review Letters, hoogleraar natuurkunde Nigel Goldenfield, Ph.D. en zijn afgestudeerde student Chi Xue, beiden aan het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology aan de universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, onderzoeken de diversiteitsparadox door een wapenwedloop van microbiële bedreigingen.

Aan de hand van het voorbeeld van virussen die op bacteriën jagen, laten Goldenfield en Xue zien hoe roofdieren en prooien concurreren om elkaar te slim af te zijn. Bacteriën ontwikkelen betere afweermechanismen om virale aanvallen te weerstaan, en virussen ontwikkelen manieren om die afweer te overwinnen. Hoe beter het virus zich aanpast als een roofdier, hoe waarschijnlijker het is om zijn prooi te decimeren - en dus zelf. Dit fenomeen wordt "Kill the Winner" genoemd, en Goldenfield en Xue zeggen dat het de diversiteitsparadox zou kunnen oplossen.

Predators en hun prooi lijken veel op Wile E. Coyote en the Road Runner: ze zijn altijd in een wapenwedloop om te zien wie de ander te slim af is, maar ze leven ook in een soort van harmonie. Als Wile E. Coyote een valstrik instelt, neemt de Road Runner een andere route om dit te vermijden. Dan kan Wile E. Coyote twee vallen plaatsen, een op de hoofdroute en een op de omweg. Maar wat als het lukt? Wie is er om te prooi?

Als Wile E. Coyote eigenlijk een succesvol roofdier was, zou het beide zelf drijven en de Road Runner met uitsterven. Deze dynamiek is door Goldenfield onderzocht in de relatie tussen virus en bacteriën, waarbij factoren als willekeurige populatiegroei in aanmerking zijn genomen. Hij en Xue ontwikkelden een zogenaamd stochastisch model dat enkele van de willekeur van de natuur probeert vast te leggen om een ​​computersimulatie realistischer te maken.

Gebruikmakend van het zeebiologische voorbeeld van plankton, dat is samengesteld uit bacteriën, algen, protozoa en andere micro-organismen, laten Goldenfield en Xue zien hoe virussen concurrerende leden van een gemeenschap onder controle houden. Kortom, ze beweren dat er niet zoiets bestaat als een "stabiele toestand" voor een ecologische gemeenschap en dat het altijd in beweging is. Als één soort protozoa bijvoorbeeld in de populatie groeit, heeft zijn gastheerspecifieke virus meer prooien. Daarom gaat de populatie van die protozoosoort terug naar beneden, waardoor er meer bronnen overblijven voor zijn buurbacterie, die vervolgens een vergelijkbare opkomst en mislukking ervaart met zijn gastheerspecifieke virus.

Daarom is het ogenschijnlijke evenwicht in een dergelijk systeem deels het resultaat van competitie - ecologie - en deels het resultaat van genetische variatie waardoor één soort zijn roofdieren te slim af kan zijn - evolutie.

"Onze resultaten suggereren sterk dat diversiteit het dynamische samenspel tussen ecologische en evolutionaire processen weerspiegelt, en wordt aangedreven door hoe ver het systeem is van een evenwichtige ecologische toestand (zoals kan worden gekwantificeerd door afwijkingen van gedetailleerde balans)," schrijven Goldenfield en Xue.

Hun model, dat ze het model Coevolving Kill the Winner noemen, is niet alleen verantwoordelijk voor de ecologie, maar ook voor de evolutie, en ze zeggen dat het veel holistischer is dan de vorige modellen die alleen het gebruik van hulpbronnen verklaren.

"Binnen de bacteriële gemeenschap hebben verschillende stammen een duidelijke groeisnelheid. Ze kunnen naast elkaar bestaan, zonder dominante winnaars, vanwege host-specifieke virussen die de overeenkomstige stammen besturen. Dit resulteert in twee lagen coëxistentie door KtW-dynamica (co-existentie van bacteriën en plankton en coëxistentie van bacteriële stammen), rustte als Russische poppen."

Is het een perfecte oplossing? In geen geval. Geen computermodel kan alle complexiteit van een natuurlijk systeem vastleggen. Maar deze weddenschappen veel dichterbij dan eerdere inspanningen.