Mga Physicist Lutasin ang Biodiversity Arms-Race Paradox: "Patayin ang Nagwagi"

Ang mga ekosistema ay umuunlad kapag mayroong isang kasaganaan ng mga organismo na may kakayahang magsagawa ng mga natatanging function at pagpuno ng iba't ibang mga niches. Ang isang simpleng larawan nito ay kung paano ginagamit ng mga halaman ang sikat ng araw at tubig at mga sustansya upang lumago, ang mga herbivore ay kumain ng mga halaman, kumakain ng mga carnivore ang mga herbivore, at ang fungi ay nabulok ang lahat ng patay na bagay pabalik sa mga nutrient para sa mga halaman na gagamitin. Ang ilang mga organismo ay gumaganap ng parehong function, tulad ng pag-ubos ng parehong biktima, at direktang makipagkumpetensya laban sa bawat isa para sa papel na ito. Inilarawan ng mga siyentipiko ang kayamanang ito ng mga species bilang "biodiversity," ngunit palaging nakipagpunyagi upang lubos na maunawaan ang pagiging kumplikado nito, at pag-areglo ng ilan sa mga makabuluhang epekto ng biodiversity.

Ang isa sa mga pangunahing tanong na ito ay kung ano ang kilala bilang pagkakaiba sa pagkakaiba-iba: Bakit ang isang superyor na uri ay hindi nakikipagkumpetensya sa lahat ng mga biolohiyang kapitbahay nito at pinalayas sila upang mapuksa. Ang mga siyentipiko ay maaaring magkaroon ng resolusyon sa ganitong bugtong. Sa isang papel na inilathala noong Disyembre 28 sa journal Physical Review Setters, propesor ng physics Nigel Goldenfield, Ph.D. at ang kanyang mag-aaral na nagtapos na si Chi Xue, parehong sa Carl R. Woese Institute para sa Genomic Biology sa Unibersidad ng Illinois sa Urbana-Champaign, sinisiyasat ang pagkakaiba-iba ng kabalintunaan sa pamamagitan ng isang arm-race ng mga microbial menaces.

Ang paggamit ng halimbawa ng mga virus na nakamamatay sa bakterya, ipinakikita ng Goldenfield at Xue kung paano nakikipagkumpetensya ang maninila at biktima upang makapag-isa sa isa't isa. Ang mga bakterya ay nagbubunga ng mas mahusay na panlaban upang mapaglabanan ang viral attack, at ang mga virus ay bumuo ng mga paraan upang mapaglabanan ang mga panlaban. Ang mas mahusay na ang virus ay sa adaptasyon bilang isang mandaragit, mas malamang na ito ay upang mabulok ang biktima - at samakatuwid mismo. Ang kababalaghang ito ay tinatawag na "Patayin ang Nagwagi," at sinabi ng Goldenfield at Xue na maaaring malutas ang pagkakaiba-iba ng pagkakaiba-iba.

Ang mga maninila at ang kanilang mga biktima ay maraming tulad ng Wile E. Coyote at ang Road Runner: Laging sila ay nasa isang armas-lahi upang makita kung sino ang maaaring makaiwas sa iba, ngunit nakatira din sila sa isang uri ng pagkakaisa. Kung ang Wile E. Coyote ay nagtatakda ng isang bitag, ang Road Runner ay tumatagal ng ibang ruta upang maiwasan ito. Pagkatapos, ang Wile E. Coyote ay maaaring magtakda ng dalawang traps, isa sa pangunahing ruta at isa sa likuan. Ngunit paano kung magtagumpay ito? Sino ang natitira upang manakit?

Kung ang Wile E. Coyote ay talagang isang matagumpay na mandaragit, ito ay mag-drive ng parehong mismo at ang Road Runner sa pagkalipol. Ang dynamic na ito ay isa na kinitang Goldenfield sa relasyon ng virus-bakterya, na nagdadala sa mga kadahilanan ng account tulad ng random na paglago ng populasyon. Siya at Xue ay bumuo ng isang tinatawag na stochastic modelo na nagtatangkang makuha ang ilan sa mga randomnesses ng kalikasan upang gumawa ng isang computer simulation mas makatotohanang.

Ang paggamit ng marine biology example ng plankton, na binubuo ng mga bakterya, algae, protozoa, at iba pang microorganisms, ang Goldenfield at Xue ay nagpapakita kung paano pinipigilan ng mga virus ang nakikipagkumpitensya na mga miyembro ng isang komunidad na kontrolado. Sa maikling salita, pinagtatalunan nila na walang ganoong bagay bilang isang "matatag na estado" para sa isang komunidad ng ekolohiya at na laging nasa pagkilos ng bagay. Halimbawa, bilang isang protozoan species lumalaki sa populasyon, ang host-tiyak na virus ay may mas biktima. Samakatuwid, ang populasyon ng mga species ng protozoan ay pabalik, na nag-iiwan ng mas maraming mapagkukunan para sa kanilang mga bacterium neighbor, na pagkatapos ay nakakaranas ng katulad na boom at bust na may host-specific virus.

Samakatuwid, ang maliwanag na balanse sa ganitong sistema ay bahagyang resulta ng kumpetisyon - ekolohiya - at bahagyang resulta ng pagkakaiba-iba ng genetika na nagpapahintulot sa isang uri ng hayop na palampasin ang mga mandarambong nito - ebolusyon.

"Ang aming mga resulta ay nagpapahiwatig na ang pagkakaiba-iba ay sumasalamin sa dynamical interplay sa pagitan ng mga ekolohiya at ebolusyonaryong proseso, at hinihimok ng kung gaano kalayo ang sistema mula sa isang balanse ng ekolohiya ng estado (tulad ng maaaring quantified ng deviations mula sa detalyadong balanse)," sumulat ng Goldenfield at Xue.

Ang kanilang modelo, na tinatawag nilang Coevolving Kill the Winner model, ay hindi lamang para sa ekolohiya kundi pati na rin sa ebolusyon, at sinasabi nila na mas holistic ito kaysa sa nakaraang mga modelo na tanging account para sa paggamit ng mapagkukunan.

"Sa loob ng komunidad ng bacterial, ang iba't ibang mga strain ay may natatanging mga rate ng paglago. Sila ay magkakasamang nabubuhay, na walang mga nagmamay-ari na nanalo, dahil sa mga host-specific na virus na kumokontrol sa mga kaukulang strain. Nagreresulta ito sa dalawang layers ng magkakasamang buhay sa pamamagitan ng KtW dynamics (bakterya-plankton magkakasamang buhay at bacterial strain coexistence), nagpahinga tulad ng mga Ruso na mga manika."

Ito ba ay isang perpektong solusyon? Walang kinalaman. Walang modelo ng computer ang makakakuha ng lahat ng pagiging kumplikado ng isang natural na sistema. Ngunit ang isa na ito ay mas maraming mas malapit kaysa sa nakaraang mga pagsisikap.