Et coevolutionært våbenkapløb mellem virus og bakterier løser mangfoldighed ved at dræbe vinderen

Der er bemærkelsesværdig biodiversitet i alle undtagen de mest ekstreme økosystemer på Jorden. Når mange arter konkurrerer om den samme begrænsede ressource, en teori kaldet konkurrencemæssig eksklusion antyder, at en art vil overgå de andre og drive dem til udryddelse, begrænsning af biodiversitet. Men det er ikke det, vi observerer i naturen. Teoretiske modeller for befolkningsdynamik har ikke fremlagt en fuldstændig tilfredsstillende forklaring på, hvad der er blevet kendt som mangfoldighedsparadokset.

Nu har forskere ved Carl R. Woese Institute for Genomic Biology ved University of Illinois i Urbana-Champaign kastet nyt lys over dette grundlæggende spørgsmål inden for økologi, ved at forbedre et populært foreslået scenario for mangfoldighed kendt som "Kill the Winner". Chi Xue og Nigel Goldenfeld, støttet af NASA Astrobiology Institute for Universal Biology, som Goldenfeld instruerer, nærmede sig mangfoldighedsparadokset fra en ikke-ligevægtsstatistisk mekanik.

Goldenfeld og Xue udviklede en stokastisk model, der tegner sig for flere faktorer observeret i økosystemer, herunder konkurrence blandt arter og samtidig predation på de konkurrerende arter. Brug af bakterier og deres værtsspecifikke vira som et eksempel, forskerne viste, at efterhånden som bakterierne udvikler sig mod virus, viruspopulationen udvikler sig også til at bekæmpe bakterierne. Dette "våbenkapløb" fører til en mangfoldig bestand af både og til boom-bust-cykler, når en bestemt art dominerer økosystemet og derefter kollapser-det såkaldte "Kill the Winner" -fænomenet. Dette coevolutionære våbenkapløb er tilstrækkeligt til at give en mulig løsning på mangfoldighedsparadokset.

Disse resultater blev offentliggjort 28. december, 2017, i Fysisk gennemgangsbreve , i artiklen, "Coevolution bevarer mangfoldigheden i den stokastiske 'Kill the Winner' -model." ( PRL , 119, 268101, 2017).

Goldenfeld og Xue kiggede på et klassisk eksempel på mangfoldighedsparadokset fra havbiologi, planktonets paradoks. I observerede marine økosystemer, mange planktonarter og bakteriestammer sameksisterer og har stor mangfoldighed.

Goldenfeld forklarer, "Der er mange foreløbige hypoteser for at løse paradokset. Den, vi er interesseret i, er 'Kill the Winner' (KtW) -hypotesen. I en nøddeskal, den siger, at problemet med mangfoldighedsparadokset er antagelsen om en stabil tilstand. Et reelt økosystem er aldrig i en stabil tilstand, men undergår befolkningssvingninger på grund af samspillet mellem rovdyr og bytte.

"Tag for eksempel konkurrerende stammer af bakterier, som hver især er bytte for en værtsspecifik virus. I dette scenario, så snart en bestemt bakterieart begynder at dominere i økosystemet, den virus (eller bakteriefag), der fortrinsvis byder på den vært, vil have masser af mål, og så vil vokse, nedlægger værtsbakteriepopulationen. Efter dette virale angreb, en anden bakterieart kan fremstå som den mest rigelige i et stykke tid, indtil dens befolkning ligeledes formindskes af dens bakteriefag. Denne værtsspecifikke predation fastholder sameksistensen af ​​konkurrerende arter ved at forhindre en vinder i at dukke op, så på en måde, arter gennemgår boom-bust cykler af overflod. "

"I øvrigt, "Xue tilføjer, "i et system, hvor plankton konkurrerer med bakterier om en ressource, en protozogruppe, der jagter alle bakteriestammer ikke-selektivt undertrykker befolkningen i hele bakteriesamfundet og dermed efterlader plads til planktonarter at overleve. KtW -ideen fungerer på to lag her:sameksistensen af ​​bakterier og plankton som det første lag, og sameksistensen af ​​bakteriestammer som den anden. Det er en meget tiltalende teori og er blevet en af ​​de mest indflydelsesrige ideer inden for marin økologi. "

Imidlertid, den originale formulering af KtW krævede en meget udbredt teknisk forenkling. Xue påpeger, "Den originale KtW -model tog ikke højde for rumlige variationer eller udsvingseffekter, og blev formuleret med hensyn til kontinuerlige biomassekoncentrationer og deterministiske almindelige differentialligninger. Betydningen af ​​dette er, at det forkert redegør for, hvad der sker, når vira angriber bakterier, for eksempel. I denne formulering, populationen af ​​bakterier i et område i rummet kan blive mindre og mindre under viral predation, men når aldrig nul. I en vis forstand, teorien tillader antallet af bakterier at være en brøkdel, når det i virkeligheden skal være et heltal som nul, en, to, osv. Så teorien undervurderer, hvad der sker under virusangreb, og især ikke kan fange udryddelse. "

For at gå ud over den forenklede model, Xue og Goldenfeld udviklede en stokastisk model af bakterie-virus-interaktioner, der kunne beskrive befolkningssvingninger, for at se, om KtW -scenariet virkelig stammer fra mere detaljerede beregninger end de tidligere foretagne.

Deres model beskrev resultatet af bakterievirusmøderne ved hjælp af en metode, der ligner den, der blev brugt i statistisk termodynamik til at beskrive kolliderende atomer i en gas. Ligesom man kan beregne gassernes egenskaber - såsom lydbølger og termiske effekter - ved at forstå atomkollisionerne, Xue og Goldenfeld brugte statistiske mekaniske metoder til at beregne befolkningers adfærd ved at forstå bakterier-virusmøder.

Goldenfeld forklarede, at KtW -scenariet ikke blev lagt i deres beregninger i hånden. Deres mål var at modellere bakterie-virus-interaktionerne på et individuelt niveau for at se, om KtW dukkede op. Imidlertid, fra deres simuleringer, Xue og

Goldenfeld blev overrasket over at opdage, at arterne i deres model ikke engang eksisterede, endsige udvise KtW-dynamik-de blev drevet til udryddelse!

Xue bemærkede, "Nedbrydningen af ​​den originale KtW -model i nærvær af stokasticitet var en overraskelse for os. Stokastikitet repræsenterer noget tættere på naturens tilfældighed. Vi havde ikke forventet, at denne meget rimelige model ville mislykkes." Forskerne indså, at der er en anden måde, hvorpå økosystemer ikke er i en stabil tilstand, adskilt fra de befolkningsudsving, de havde forsøgt at modellere.

Virkelige økosystemer udvikler sig også. Ja, når de også inkluderede coevolution i deres model, modellen rekapitulerede den biodiversitet, der blev observeret i naturen.

Goldenfeld beskriver, "I tilfælde af økosystemet i vores havbiologiske eksempel, der er coevolution af hver bakteriestamme og dens værtsspecifikke virus, da de konkurrerer i det, der kan beskrives som et våbenkapløb. Da bakterierne finder måder at undgå angreb af vira, virusene udvikler sig til at imødegå det nye forsvar. I denne sammenhængende KtW -model, våbenkapløbet er drevet af mutationer, der opstår i både bakterielle og virale stammer. "

Xue tilføjer, denne idé har støtte fra genomik. "Forskere, især inden for marin mikrobiel økologi, har fundet ud af, at forskellige bakteriestammer viser stærk variation i områder af deres genomer, der menes at være forbundet med fagresistens. Denne observation forbinder mangfoldigheden af ​​bakterielle genomer med viruspredation og er enig med vores coevolving KtW -rammer. "

"Og udryddelsesspørgsmålet kan nu undgås, "Xue fortsætter." Når en stamme uddør, det, eller noget i nærheden af ​​det, kan stadig vende tilbage senere som en mutant fra en anden stamme. Denne co-evolutionære mekanisme virker ud over rumlig heterogenitet, hvilket også hjælper mangfoldighed:hvis en bestemt stamme uddør i et bestemt rumområde, det er muligt, at den kan genfrøes ved migration eller spredning af denne stamme fra et andet sted. Dermed, på lang tid skalaer, systemets mangfoldighed bevares. "

Goldenfeld siger, at det var tilfredsstillende at se, hvordan brugen af ​​stokastisk modellering gjorde det muligt for teamet at inkludere det allerede velkendte coevolutionære våbenkapløb inden for en simpel model, hvorfra der opstod Kill-the-Winner-dynamikken.

"KtW -modellen er en yderst vigtig idé, "hævder han, "men den skal suppleres med yderligere faktorer som co-evolution og rumlig variation. Vores arbejde viser nedbrydningen af ​​den enkleste, men mest udbredte version af teorien og præsenterer en måde at genoprette dens forklaringskraft. Det er spændende, at vores teoretiske modellen fangede ikke kun den mangfoldighed, som vi forsøgte at forklare, men er også i overensstemmelse med en tilsyneladende afbrudt datastreng fra området genomik, og dermed give en tilfredsstillende fortælling, der fungerer fra økosystemernes niveau og ned til selve genomet. "

Goldenfeld og Xue planlægger at fortsætte denne undersøgelseslinje yderligere. De spekulerer i, at mangfoldighed generelt hænger sammen med, hvor langt væk et økosystem er fra ligevægt. Fremtidens arbejde vil forsøge at kvantificere forholdet mellem mangfoldighed og afstanden fra ligevægt.

Resultaterne af denne teoretiske undersøgelse kan i princippet testes i forsøg:

"Jeg er mest begejstret for muligheden for, at den coevolving KtW -model kan testes ved at udføre forsøg med coevolving bakterier og fager, "Xue kommenterer." Den korte reproduktionstid og høje mutationsfrekvens gør mikrobielle systemer til en god kandidat til at teste modeller, hvor evolutionære og økologiske dynamikker sker på samme tidsskala. "

Forskernes interesse for dette problem stammer fra et tilsyneladende anderledes videnskabeligt område. Goldenfeld forklarer, at dette arbejde har konsekvenser for åbne spørgsmål i astrobiologi og for at opdage liv i udenjordiske verdener.

"Mangfoldigheden af ​​økosystemer, især mikrobielle, er en nøglefaktor for at forstå sandsynligheden for, at livet kan få nok af en tåhold i et planetmiljø ikke kun for at overleve, men også for at være påviselig. Med den banebrydende opdagelse ved Cassini -mission af globale oceaner af flydende vand på Europa (Jupiters måne) og Enceladus (Saturnmåne), marin mikrobiel økologi er klar til at blive en endnu mere aktiv komponent i astrobiologi. At forstå de grundlæggende mekanismer, der driver biodiversitet-et gennemgående træk ved terrestriske økosystemer-vil hjælpe os med at forudsige observerbarheden af ​​ikke-terrestrisk liv på verdener, der vil være inden for rækkevidde af vores sonder i de kommende årtier. "