นักฟิสิกส์แก้ปัญหาความหลากหลายทางชีวภาพแขน - แข่ง: "ฆ่าผู้ชนะ"

ระบบนิเวศเจริญเติบโตเมื่อมีสิ่งมีชีวิตมากมายที่สามารถทำหน้าที่ที่ไม่เหมือนใครและเติมซอกที่แตกต่างกัน ภาพเบื้องต้นนี้จะเป็นวิธีที่พืชใช้แสงแดดและน้ำและสารอาหารในการเจริญเติบโตสัตว์กินพืชกินสัตว์กินเนื้อกินพืชเป็นอาหารและเชื้อราจะย่อยสลายของเสียทั้งหมดให้เป็นสารอาหารสำหรับพืช สิ่งมีชีวิตบางชนิดทำหน้าที่เหมือนกันเช่นกินเหยื่อเดียวกันและแข่งขันกันเองเพื่อรับบทบาทนี้ นักวิทยาศาสตร์อธิบายความร่ำรวยของสิ่งมีชีวิตชนิดนี้ว่าเป็น“ ความหลากหลายทางชีวภาพ” แต่ได้พยายามอย่างเต็มที่เพื่อให้เข้าใจถึงความซับซ้อนของมันอย่างเต็มที่และกระทบต่อผลกระทบที่ขัดแย้งกันของความหลากหลายทางชีวภาพ

หนึ่งในคำถามที่สำคัญเหล่านี้คือสิ่งที่เรียกว่าความขัดแย้งที่หลากหลาย: ทำไมหนึ่งสายพันธุ์ที่เหนือกว่าจึงไม่สามารถแข่งขันกับเพื่อนบ้านทางชีววิทยาทั้งหมดและขับไล่พวกมันไปสู่การสูญพันธุ์ ในที่สุดนักวิทยาศาสตร์ก็อาจมีมติให้แก้ปริศนานี้ ในบทความที่ตีพิมพ์ในวันที่ 28 ธันวาคมในวารสาร จดหมายทบทวนทางกายภาพ ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ไนเจล Goldenfield, Ph.D. และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของเขา Chi Xue ทั้งที่สถาบันวิจัยชีววิทยาจีโนมคาร์ลอาร์โวเซ่ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์เออร์บานาแชมเพนตรวจสอบความขัดแย้งที่หลากหลายผ่านการแข่งขันอาวุธต่อสู้เพื่อจุลินทรีย์

การใช้ตัวอย่างของไวรัสที่เป็นเหยื่อของแบคทีเรีย Goldenfield และ Xue แสดงให้เห็นว่านักล่าและเหยื่อต่อสู้เพื่อแย่งชิงกันได้อย่างไร แบคทีเรียพัฒนาการป้องกันที่ดีขึ้นเพื่อต้านทานการโจมตีของไวรัสและไวรัสพัฒนาวิธีที่จะเอาชนะการป้องกันเหล่านั้น ยิ่งไวรัสปรับตัวได้ดีเท่าไหร่นักล่าก็ยิ่งมีแนวโน้มที่จะสังหารเหยื่อได้ง่ายเท่านั้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า“ Kill the Winner” และ Goldenfield และ Xue บอกว่ามันสามารถแก้ไขความขัดแย้งที่หลากหลายได้

ผู้ล่าและเหยื่อของพวกเขาเป็นเหมือน Wile E. Coyote และ Road Runner: พวกเขามักจะอยู่ในการแข่งขันอาวุธเพื่อดูว่าใครสามารถเอาชนะคนอื่นได้ แต่พวกเขายังมีชีวิตอยู่ด้วยความสามัคคี หาก Wile E. Coyote วางกับดักนักวิ่งบนถนนจะใช้เส้นทางอื่นเพื่อหลีกเลี่ยง จากนั้น Wile E. Coyote อาจวางกับดักสองอันหนึ่งอันบนเส้นทางหลักและอีกอันหนึ่งอยู่ทางอ้อม แต่ถ้ามันสำเร็จ ใครเหลืออยู่ให้ตกเป็นเหยื่อ?

ถ้า Wile E. Coyote เป็นนักล่าที่ประสบความสำเร็จจริง ๆ มันจะผลักดันตัวเองทั้งคู่ และ นักวิ่งเพื่อสูญพันธุ์ พลวัตนี้เป็นสิ่งหนึ่งที่ Goldenfield ตรวจสอบในความสัมพันธ์ระหว่างเชื้อไวรัสและแบคทีเรียซึ่งนำมาสู่ปัจจัยบัญชีเช่นการเติบโตของประชากรแบบสุ่ม เขาและ Xue พัฒนาแบบจำลองสโตแคสติกที่พยายามจับภาพบางส่วนของธรรมชาติเพื่อทำให้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์สมจริงยิ่งขึ้น

การใช้ตัวอย่างชีววิทยาทางทะเลของแพลงก์ตอนซึ่งประกอบด้วยแบคทีเรียสาหร่ายโปรโตซัวและจุลินทรีย์อื่น ๆ Goldenfield และ Xue แสดงให้เห็นว่าไวรัสทำให้สมาชิกของชุมชนที่อยู่ภายใต้การควบคุมดูแลอย่างไร กล่าวโดยสรุปพวกเขาอ้างว่าไม่มี "สถานะมั่นคง" สำหรับชุมชนนิเวศวิทยาและมันอยู่ในของเหลวเสมอ ตัวอย่างเช่นเมื่อโพรโทซัวสปีชีส์หนึ่งเติบโตในประชากรไวรัสเฉพาะโฮสต์นั้นมีเหยื่อมากกว่า ดังนั้นประชากรของสายพันธุ์โปรโตซัวจึงกลับลงไปทิ้งทรัพยากรเพิ่มเติมสำหรับเพื่อนบ้านของแบคทีเรียซึ่งจากนั้นก็พบว่าไวรัสชนิดนี้แพร่ระบาดอย่างรวดเร็ว

ดังนั้นความสมดุลที่เห็นได้ชัดในระบบดังกล่าวส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการแข่งขัน - นิเวศวิทยา - และส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่ช่วยให้หนึ่งสปีชีส์ที่จะเอาชนะนักล่า - วิวัฒนาการ

“ ผลลัพธ์ของเราแนะนำอย่างยิ่งว่าความหลากหลายสะท้อนให้เห็นถึงการมีอิทธิพลซึ่งกันและกันระหว่างกระบวนการทางนิเวศวิทยาและกระบวนการวิวัฒนาการและถูกขับเคลื่อนด้วยระบบที่ห่างไกลจากสถานะทางนิเวศวิทยาสมดุล (เท่าที่สามารถวัดปริมาณโดยการเบี่ยงเบนจากสมดุลแบบละเอียด)” Goldenfield และ Xue

แบบจำลองของพวกเขาซึ่งพวกเขาเรียกว่าแบบจำลอง Coevolving Kill the Winner ไม่ใช่แค่เรื่องของระบบนิเวศ แต่รวมถึงวิวัฒนาการด้วยและพวกเขาบอกว่ามันเป็นแบบองค์รวมที่ดีกว่ารุ่นก่อน ๆ ที่ใช้เฉพาะการใช้ทรัพยากร

“ ภายในชุมชนแบคทีเรียสายพันธุ์ต่าง ๆ มีอัตราการเติบโตที่แตกต่างกัน พวกเขาอยู่ร่วมกันโดยไม่มีผู้ชนะเนื่องจากไวรัสเฉพาะโฮสต์ที่ควบคุมสายพันธุ์ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งส่งผลให้เกิดการอยู่ร่วมกันสองชั้นผ่านการเปลี่ยนแปลง KtW (การอยู่ร่วมกันของแบคทีเรียแพลงก์ตอนและการอยู่ร่วมกันของแบคทีเรียสายพันธุ์) พักอยู่เหมือนตุ๊กตารัสเซีย"

มันเป็นโซลูชั่นที่สมบูรณ์แบบ? ไม่ได้หมายความว่า ไม่มีคอมพิวเตอร์รุ่นใดสามารถจับภาพความซับซ้อนทั้งหมดของระบบธรรมชาติได้ แต่อันนี้เดิมพันมากใกล้กว่าความพยายามก่อนหน้า