C'è una notevole biodiversità in tutti gli ecosistemi della Terra tranne quelli più estremi. Quando molte specie competono per la stessa risorsa finita, una teoria chiamata esclusione competitiva suggerisce che una specie supererà le altre e le porterà all'estinzione, limitando la biodiversità. Ma questo non è ciò che osserviamo in natura. I modelli teorici delle dinamiche di popolazione non hanno presentato una spiegazione del tutto soddisfacente per quello che è diventato noto come il paradosso della diversità.

Ora i ricercatori del Carl R. Woese Institute for Genomic Biology dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno gettato nuova luce su questa fondamentale questione dell'ecologia, migliorando uno scenario popolare proposto per la diversità noto come "Kill the Winner". Chi Xue e Nigel Goldenfeld, supportato dal NASA Astrobiology Institute for Universal Biology, che Goldenfeld dirige, affrontato il paradosso della diversità dal punto di vista della meccanica statistica del non equilibrio.

Goldenfeld e Xue hanno sviluppato un modello stocastico che tiene conto di molteplici fattori osservati negli ecosistemi, compresa la competizione tra le specie e la predazione simultanea sulle specie concorrenti. Usando come esempio i batteri e i loro virus specifici dell'ospite, i ricercatori hanno dimostrato che man mano che i batteri evolvono le difese contro il virus, anche la popolazione virale si evolve per combattere i batteri. Questa "corsa agli armamenti" porta a una popolazione diversificata di entrambi e a cicli di boom-bust quando una particolare specie domina l'ecosistema e poi collassa, il cosiddetto fenomeno "Kill the Winner". Questa corsa agli armamenti coevolutiva è sufficiente per fornire una possibile soluzione al paradosso della diversità.

Questi risultati sono stati pubblicati il ​​28 dicembre 2017, in Lettere di revisione fisica , Nell'articolo, "La coevoluzione mantiene la diversità nel modello stocastico 'Uccidi il vincitore'." ( PRL , 119, 268101, 2017).

Goldenfeld e Xue hanno esaminato un classico esempio del paradosso della diversità della biologia marina, il paradosso del plancton. Negli ecosistemi marini osservati, molte specie di plancton e ceppi batterici coesistono e presentano un'elevata diversità.

Goldenfeld spiega, "Ci sono molte ipotesi provvisorie per risolvere il paradosso. Quella che ci interessa è l'ipotesi 'Kill the Winner' (KtW). In poche parole, dice che il problema con il paradosso della diversità è l'assunzione di uno stato stazionario. Un vero ecosistema non è mai in uno stato stazionario, ma subisce fluttuazioni di popolazione dovute all'interazione tra predatori e prede.

"Prendiamo ad esempio ceppi di batteri concorrenti, ognuno dei quali è preda di un virus specifico dell'ospite. In questo scenario, non appena una particolare specie batterica inizia a dominare nell'ecosistema, il virus (o il fago batterico) che preda preferenzialmente su quell'ospite avrà molti bersagli, e così prolifererà, abbattimento della popolazione batterica ospite. Dopo questo attacco virale, un'altra specie batterica può emergere come la più abbondante per un certo tempo, fino a quando la sua popolazione è ugualmente diminuita dal suo fago batterico. Questa predazione specifica dell'ospite mantiene la coesistenza di specie in competizione impedendo l'emergere di un vincitore, così che in un certo senso, specie attraversano cicli di boom-bust di abbondanza."

"Inoltre, "Xue aggiunge, "in un sistema in cui il plancton compete con i batteri per una risorsa, un gruppo di protozoi che caccia tutti i ceppi batterici sopprime in modo non selettivo la popolazione dell'intera comunità batterica e quindi lascia spazio alle specie di plancton per sopravvivere. L'idea KtW lavora qui su due livelli:la coesistenza di batteri e plancton come primo strato, e la coesistenza di ceppi batterici come il secondo. È una teoria molto interessante ed è diventata una delle idee più influenti nell'ecologia marina".

Però, la formulazione originale di KtW richiedeva una semplificazione tecnica ampiamente utilizzata. Xue sottolinea, "Il modello KtW originale non teneva conto delle variazioni spaziali o di eventuali effetti di fluttuazione, ed è stato formulato in termini di concentrazioni continue di biomassa ed equazioni differenziali ordinarie deterministiche. Il significato di questo è che tiene conto in modo errato di ciò che accade quando i virus attaccano i batteri, Per esempio. In questa formulazione, la popolazione di batteri in una regione dello spazio può ridursi sempre più durante la predazione virale, ma non arriva mai a zero. In un senso, la teoria permette che il numero di batteri sia una frazione, quando in realtà deve essere un numero intero come zero, uno, Due, ecc. Quindi la teoria sottovaluta ciò che accade durante l'attacco virale, e in particolare non può catturare l'estinzione."

Per andare oltre il modello semplificato, Xue e Goldenfeld hanno sviluppato un modello stocastico di interazioni batteri-virus che potrebbe descrivere le fluttuazioni della popolazione, al fine di verificare se lo scenario KtW sia realmente emerso da calcoli più dettagliati di quelli effettuati in precedenza.

Il loro modello ha descritto l'esito degli incontri batteri-virus utilizzando un metodo simile a quello utilizzato nella termodinamica statistica per descrivere la collisione degli atomi in un gas. Proprio come si possono calcolare le proprietà dei gas, come le onde sonore e gli effetti termici, dalla comprensione delle collisioni atomiche, Xue e Goldenfeld hanno utilizzato metodi di meccanica statistica per calcolare il comportamento delle popolazioni dalla comprensione degli incontri batteri-virus.

Goldenfeld ha spiegato che lo scenario KtW non è stato inserito manualmente nei loro calcoli. Il loro obiettivo era quello di modellare le interazioni batteri-virus a livello individuale per vedere se KtW è emerso. Però, dalle loro simulazioni, Xue e

Goldenfeld è stato sorpreso di scoprire che le specie nel loro modello non coesistevano nemmeno e tanto meno esibivano dinamiche KtW:erano state portate all'estinzione!

Xue ha notato, "La rottura del modello KtW originale in presenza di stocasticità è stata una sorpresa per noi. La stocasticità rappresenta qualcosa di più vicino alla casualità della natura. Non ci aspettavamo che questo modello molto ragionevole fallisse." I ricercatori si sono resi conto che esiste un altro modo in cui gli ecosistemi non sono in uno stato stazionario, separato dalle fluttuazioni della popolazione che avevano tentato di modellare.

Anche gli ecosistemi reali si stanno evolvendo. Infatti, quando includevano anche la coevoluzione nel loro modello, il modello ha ricapitolato la biodiversità osservata in natura.

Goldenfeld descrive, "Nel caso dell'ecosistema nel nostro esempio di biologia marina, c'è una coevoluzione di ogni ceppo batterico e del suo virus specifico dell'ospite mentre competono in quella che può essere descritta come una corsa agli armamenti. Poiché i batteri trovano il modo di eludere l'attacco dei virus, i virus si evolvono per contrastare le nuove difese. In questo modello KtW in coevoluzione, la corsa agli armamenti è guidata da mutazioni che si verificano sia nei ceppi batterici che in quelli virali".

Xue aggiunge, questa idea ha il supporto della genomica. "Ricercatori, soprattutto in ecologia microbica marina, hanno scoperto che diversi ceppi batterici mostrano forti variazioni nelle regioni dei loro genomi che si ritiene siano associate alla resistenza dei fagi. Questa osservazione collega la diversità dei genomi batterici alla predazione del virus ed è d'accordo con il nostro quadro di coevoluzione KtW".

"E il problema dell'estinzione ora può essere evitato, " Xue continua. "Quando un ceppo si estingue, esso, o qualcosa di simile, può ancora riemergere in seguito come mutante di un altro ceppo. Questo meccanismo co-evolutivo agisce in aggiunta all'eterogeneità spaziale, che aiuta anche la diversità:se un particolare ceppo si estingue in una particolare regione dello spazio, è possibile che possa essere riseminato dalla migrazione o dalla diffusione di quel ceppo da qualche altra parte. Così, a tempi lunghi, la diversità del sistema è mantenuta."

Goldenfeld afferma che è stato soddisfacente vedere come l'uso della modellazione stocastica abbia permesso al team di includere la già nota corsa agli armamenti coevolutivi all'interno di un modello semplice, da cui sono emerse le dinamiche Kill-the-Winner.

"Il modello KtW è un'idea profondamente importante, "afferma, "ma deve essere integrato da fattori aggiuntivi come la coevoluzione e la variazione spaziale. Il nostro lavoro dimostra la rottura della versione più semplice ma più ampiamente utilizzata della teoria e presenta un modo per ripristinarne il potere esplicativo. È eccitante che il nostro modello non solo ha catturato la diversità che stavamo cercando di spiegare, ma è anche coerente con un filone di dati apparentemente disconnesso dal campo della genomica, fornendo così una narrativa soddisfacente che funziona dal livello degli ecosistemi fino al genoma stesso".

Goldenfeld e Xue intendono proseguire ulteriormente su questa linea di indagine. Essi ipotizzano che la diversità sia generalmente correlata alla distanza di un ecosistema dall'equilibrio. Il lavoro futuro cercherà di quantificare la relazione tra diversità e distanza dall'equilibrio.

I risultati di questo studio teorico sono in linea di principio verificabili in esperimenti:

"Sono molto entusiasta della possibilità che il modello KtW coevolvente possa essere testato conducendo esperimenti con batteri e fagi coevolventi, " Commenta Xue. "Il breve tempo di riproduzione e l'elevata frequenza di mutazione rendono i sistemi microbici un buon candidato per testare modelli in cui le dinamiche evolutive ed ecologiche avvengono alla stessa scala temporale".

L'interesse dei ricercatori per questo problema è nato da un'area scientifica apparentemente diversa. Goldenfeld spiega che questo lavoro ha implicazioni per questioni aperte in astrobiologia e per rilevare la vita sui mondi extraterrestri.

"La diversità degli ecosistemi, soprattutto microbici, è un fattore chiave per comprendere la probabilità che la vita possa guadagnare abbastanza di un punto d'appoggio in un ambiente planetario non solo per sopravvivere, ma anche essere rilevabile. Con la rivoluzionaria scoperta da parte della missione Cassini degli oceani globali di acqua liquida su Europa (luna di Giove) ed Encelado (luna di Saturno), l'ecologia microbica marina è destinata a diventare una componente ancora più attiva dell'astrobiologia. Comprendere i meccanismi fondamentali che guidano la biodiversità, una caratteristica pervasiva degli ecosistemi terrestri, ci aiuterà a prevedere l'osservabilità della vita non terrestre su mondi che saranno alla portata delle nostre sonde nei prossimi decenni".