I fisici risolvono il paradosso delle Biodiversity Arms-Race: "Kill the Winner"

Gli ecosistemi prosperano quando c'è un'abbondanza di organismi in grado di svolgere funzioni uniche e di riempire nicchie diverse. Un quadro rudimentale di questo sarebbe il modo in cui le piante usano la luce del sole e l'acqua e le sostanze nutritive per crescere, gli erbivori mangiano le piante, i carnivori mangiano gli erbivori ei funghi si decompongono di nuovo in sostanze nutritive per le piante. Alcuni organismi svolgono la stessa funzione, come consumare la stessa preda e competere direttamente l'uno con l'altro per questo ruolo. Gli scienziati descrivono questa ricchezza di specie come "biodiversità", ma hanno sempre lottato per dare pieno senso alla sua complessità e per riconciliare alcuni degli effetti paradossali della biodiversità.

Una di queste importanti domande è il cosiddetto paradosso della diversità: perché una specie superiore non supera in competizione tutti i suoi vicini biologici e li conduce all'estinzione. Gli scienziati potrebbero finalmente avere una soluzione a questo enigma. In un articolo pubblicato il 28 dicembre sulla rivista Lettere di revisione fisica, professore di fisica Nigel Goldenfield, Ph.D. e il suo studente laureato Chi Xue, entrambi presso l'Istituto Carl R. Woese per la biologia genomica dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, indagano il paradosso della diversità attraverso una corsa agli armamenti di minacce microbiche.

Usando l'esempio di virus che cacciano i batteri, Goldenfield e Xue mostrano come predatore e preda competono per sfidarsi l'un l'altro. I batteri evolvono meglio le difese per resistere all'attacco virale e i virus sviluppano modi per superare tali difese. Quanto più il virus si adatta all'adattamento come un predatore, tanto più è probabile che decima la sua preda - e quindi se stessa. Questo fenomeno si chiama "Uccidi il vincitore" e Goldenfield e Xue dicono che potrebbe risolvere il paradosso della diversità.

I predatori e le loro prede sono molto simili a Wile E. Coyote e al Road Runner: sono sempre in una corsa agli armamenti per vedere chi può battere in astuzia l'altro, ma vivono anche in una sorta di armonia. Se Wile E. Coyote imposta una trappola, il Road Runner prende una strada diversa per evitarlo. Quindi Wile E. Coyote potrebbe impostare due trappole, una sulla via principale e una sulla deviazione. Ma cosa succede se succede? Chi è rimasto a predare?

Se Wile E. Coyote fosse in realtà un predatore di successo, guiderebbe entrambi e il Road Runner all'estinzione. Questa dinamica è quella che Goldenfield ha esaminato nella relazione virus-batteri, tenendo conto di fattori come la crescita casuale della popolazione. Lui e Xue hanno sviluppato un cosiddetto modello stocastico che tenta di catturare alcune delle casualità della natura per rendere la simulazione al computer più realistica.

Utilizzando l'esempio di biologia marina del plancton, composto da batteri, alghe, protozoi e altri microrganismi, Goldenfield e Xue mostrano come i virus tengono sotto controllo i membri in competizione di una comunità. In breve, sostengono che non esiste uno "stato stazionario" per una comunità ecologica e che è sempre in divenire. Ad esempio, quando una specie di protozoi cresce nella popolazione, il suo virus specifico dell'ospite ha più prede. Pertanto, la popolazione di quella specie di protozoi va indietro, lasciando più risorse per il suo vicino di batteri, che poi sperimenta un boom e un fallimento simili con il suo virus specifico dell'ospite.

Pertanto, l'apparente equilibrio in un tale sistema è in parte il risultato della competizione - l'ecologia - e in parte il risultato di una variazione genetica che consente a una specie di superare in astuzia i suoi predatori: l'evoluzione.

"I nostri risultati suggeriscono fortemente che la diversità riflette l'interazione dinamica tra processi ecologici ed evolutivi, ed è guidata da quanto il sistema è lontano da uno stato ecologico di equilibrio (come potrebbe essere quantificato da deviazioni dal bilancio dettagliato)", scrivono Goldenfield e Xue.

Il loro modello, che chiamano il modello di Coevolving Kill the Winner, non solo per l'ecologia ma anche per l'evoluzione, e dicono che è molto più olistico rispetto ai modelli precedenti che rappresentano solo l'utilizzo delle risorse.

"All'interno della comunità batterica, ceppi diversi hanno tassi di crescita distinti. Essi coesistono, senza vincitori dominanti, a causa di virus specifici dell'ospite che controllano i ceppi corrispondenti. Ciò si traduce in due strati di coesistenza attraverso la dinamica del KtW (coesistenza di batteri plancton e coesistenza di ceppi batterici), riposati come bambole russe ".

È una soluzione perfetta? Senza significato. Nessun modello di computer può catturare tutta la complessità di un sistema naturale. Ma questo è molto più vicino degli sforzi precedenti.