Existe una biodiversidad notable en todos los ecosistemas excepto en los más extremos de la Tierra. Cuando muchas especies compiten por el mismo recurso finito, una teoría llamada exclusión competitiva sugiere que una especie superará a las demás y las llevará a la extinción, limitando la biodiversidad. Pero esto no es lo que observamos en la naturaleza. Los modelos teóricos de la dinámica de la población no han presentado una explicación completamente satisfactoria de lo que se conoce como la paradoja de la diversidad.

Ahora, los investigadores del Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han arrojado nueva luz sobre esta cuestión fundamental de la ecología:mejorando un escenario popular propuesto para la diversidad conocido como "Mata al ganador". Chi Xue y Nigel Goldenfeld, apoyado por el Instituto de Astrobiología de la NASA para Biología Universal, que dirige Goldenfeld, abordó la paradoja de la diversidad desde la perspectiva de la mecánica estadística del desequilibrio.

Goldenfeld y Xue desarrollaron un modelo estocástico que da cuenta de múltiples factores observados en los ecosistemas, incluida la competencia entre especies y la depredación simultánea de las especies competidoras. Usando bacterias y sus virus específicos del huésped como ejemplo, los investigadores demostraron que a medida que las bacterias desarrollan defensas contra el virus, la población de virus también evoluciona para combatir las bacterias. Esta "carrera armamentista" conduce a una población diversa de ambos y a ciclos de auge y caída cuando una especie en particular domina el ecosistema y luego colapsa, el llamado fenómeno "Kill the Winner". Esta carrera armamentista coevolutiva es suficiente para dar una posible solución a la paradoja de la diversidad.

Estos hallazgos se publicaron el 28 de diciembre de 2017, en Cartas de revisión física , en el artículo, "La coevolución mantiene la diversidad en el modelo estocástico de 'matar al ganador'". ( PRL , 119, 268101, 2017).

Goldenfeld y Xue observaron un ejemplo clásico de la paradoja de la diversidad de la biología marina, la paradoja del plancton. En ecosistemas marinos observados, muchas especies de plancton y cepas bacterianas coexisten y tienen una gran diversidad.

Goldenfeld explica:"Hay muchas hipótesis tentativas para resolver la paradoja. La que nos interesa es la hipótesis 'Kill the Winner' (KtW). En pocas palabras, dice que el problema con la paradoja de la diversidad es el supuesto de un estado estacionario. Un ecosistema real nunca está en un estado estable, pero sufre fluctuaciones de población debido a la interacción entre depredadores y presas.

"Tomemos, por ejemplo, cepas de bacterias competidoras, cada uno de los cuales es presa de un virus específico del huésped. En este escenario, tan pronto como una determinada especie bacteriana comience a dominar en el ecosistema, el virus (o fago bacteriano) que se alimenta preferentemente de ese huésped tendrá muchos objetivos, y así proliferará, sacrificando la población de bacterias hospedadoras. Después de este ataque viral, otra especie bacteriana puede emerger como la más abundante por un tiempo, hasta que su población sea igualmente disminuida por su fago bacteriano. Esta depredación específica del huésped mantiene la coexistencia de especies competidoras al evitar que emerja un ganador, para que en cierto sentido, las especies atraviesan ciclos de abundancia de auge y caída ".

"Es más, "Agrega Xue, "en un sistema en el que el plancton compite con las bacterias por un recurso, un grupo de protozoos que caza todas las cepas bacterianas suprime de forma no selectiva la población de toda la comunidad bacteriana y, por lo tanto, deja espacio para que sobrevivan las especies de plancton. La idea de KtW funciona aquí en dos capas:la coexistencia de bacterias y plancton como primera capa, y la coexistencia de cepas bacterianas como la segunda. Es una teoría muy atractiva y se ha convertido en una de las ideas más influyentes en la ecología marina ".

Sin embargo, la formulación original de KtW requería una simplificación técnica ampliamente utilizada. Xue señala, "El modelo KtW original no tuvo en cuenta las variaciones espaciales ni los efectos de fluctuación, y fue formulado en términos de concentraciones continuas de biomasa y ecuaciones diferenciales ordinarias deterministas. La importancia de esto es que explica incorrectamente lo que sucede cuando los virus atacan a las bacterias, por ejemplo. En esta formulación, la población de bacterias en una región del espacio puede hacerse cada vez más pequeña durante la depredación viral, pero nunca llega a cero. En un sentido, la teoría permite que el número de bacterias sea una fracción, cuando en realidad debe ser un número entero como cero, uno, dos, etc. Entonces, la teoría subestima lo que sucede durante un ataque viral, y en particular no puede capturar la extinción ".

Para ir más allá del modelo simplificado, Xue y Goldenfeld desarrollaron un modelo estocástico de interacciones bacterias-virus que podría describir las fluctuaciones de la población, para ver si el escenario KtW realmente surgió de cálculos más detallados que los realizados anteriormente.

Su modelo describía el resultado de los encuentros entre bacterias y virus utilizando un método similar al utilizado en termodinámica estadística para describir la colisión de átomos en un gas. Así como se pueden calcular las propiedades de los gases, como las ondas sonoras y los efectos térmicos, a partir de la comprensión de las colisiones atómicas, Xue y Goldenfeld utilizaron métodos de mecánica estadística para calcular el comportamiento de las poblaciones a partir de la comprensión de los encuentros entre bacterias y virus.

Goldenfeld explicó que el escenario KtW no se incluyó en sus cálculos a mano. Su objetivo era modelar las interacciones bacterias-virus a nivel individual para ver si surgía KtW. Sin embargo, de sus simulaciones, Xue y

Goldenfeld se sorprendió al descubrir que las especies de su modelo ni siquiera coexistían y mucho menos exhibían la dinámica de KtW:¡fueron llevadas a la extinción!

Xue señaló, "El colapso del modelo KtW original en presencia de estocasticidad fue una sorpresa para nosotros. La estocasticidad representa algo más cercano a la aleatoriedad de la naturaleza. No esperábamos que este modelo tan razonable fallara". Los investigadores se dieron cuenta de que hay otra forma en que los ecosistemas no están en un estado estable, separados de las fluctuaciones de población que habían intentado modelar.

Los ecosistemas reales también están evolucionando. En efecto, cuando también incluyeron la coevolución en su modelo, el modelo recapituló la biodiversidad observada en la naturaleza.

Goldenfeld describe, "En el caso del ecosistema en nuestro ejemplo de biología marina, hay coevolución de cada cepa de bacterias y su virus específico del huésped, ya que compiten en lo que puede describirse como una carrera armamentista. A medida que las bacterias encuentran formas de evadir el ataque de los virus, los virus evolucionan para contrarrestar las nuevas defensas. En este modelo KtW coevolutivo, la carrera armamentista está impulsada por mutaciones que surgen tanto en cepas bacterianas como virales ".

Xue agrega, esta idea tiene el apoyo de la genómica. "Investigadores, especialmente en ecología microbiana marina, han descubierto que diferentes cepas bacterianas muestran una fuerte variación en las regiones de sus genomas que se cree que están asociadas con la resistencia a los fagos. Esta observación vincula la diversidad de genomas bacterianos con la depredación del virus y está de acuerdo con nuestro marco de KtW coevolutivo ".

"Y ahora se puede evitar el problema de la extinción, "Xue continúa." Cuando una cepa se extingue, eso, O algo cercano, todavía puede resurgir más tarde como un mutante de otra cepa. Este mecanismo coevolutivo actúa además de la heterogeneidad espacial, lo que también ayuda a la diversidad:si una cepa particular se extingue en una región particular del espacio, es posible que se pueda volver a sembrar por la migración o difusión de esa cepa desde algún otro lugar. Por lo tanto, en escalas de tiempo largas, se mantiene la diversidad del sistema ".

Goldenfeld dice que fue satisfactorio ver cómo el uso del modelado estocástico permitió al equipo incluir la ya conocida carrera armamentista coevolutiva dentro de un modelo simple, de donde surgió la dinámica de Kill-the-Winner.

"El modelo KtW es una idea profundamente importante, "afirma, "pero debe complementarse con factores adicionales como la coevolución y la variación espacial. Nuestro trabajo demuestra el desglose de la versión más simple pero más ampliamente utilizada de la teoría y presenta una manera de restaurar su poder explicativo. Es emocionante que nuestra teoría modelo no solo capturó la diversidad que estábamos tratando de explicar, pero también es consistente con una cadena de datos aparentemente desconectada del campo de la genómica, proporcionando así una narrativa satisfactoria que funciona desde el nivel de los ecosistemas hasta el genoma mismo ".

Goldenfeld y Xue planean continuar con esta línea de investigación. Especulan que la diversidad generalmente está relacionada con qué tan lejos está un ecosistema del equilibrio. El trabajo futuro intentará cuantificar la relación entre la diversidad y la distancia del equilibrio.

Los resultados de este estudio teórico son, en principio, comprobables en experimentos:

"Estoy muy entusiasmado con la posibilidad de que el modelo KtW coevolucionante pueda probarse mediante la realización de experimentos con bacterias y fagos coevolutivos". "Xue comenta." El corto tiempo de reproducción y la alta frecuencia de mutación hacen que los sistemas microbianos sean un buen candidato para probar modelos en los que las dinámicas evolutivas y ecológicas ocurren a la misma escala de tiempo ".

El interés de los investigadores en este problema surgió de un área de la ciencia aparentemente diferente. Goldenfeld explica que este trabajo tiene implicaciones para cuestiones abiertas en astrobiología y para la detección de vida en mundos extraterrestres.

"La diversidad de ecosistemas, especialmente los microbianos, es un factor clave para comprender la probabilidad de que la vida pueda ganar suficiente apoyo en un entorno planetario no solo para sobrevivir, pero también para ser detectable. Con el descubrimiento pionero de la misión Cassini de océanos globales de agua líquida en Europa (luna de Júpiter) y Encelado (luna de Saturno), La ecología microbiana marina está preparada para convertirse en un componente aún más activo de la astrobiología. Comprender los mecanismos fundamentales que impulsan la biodiversidad, una característica generalizada de los ecosistemas terrestres, nos ayudará a predecir la observabilidad de la vida no terrestre en mundos que estarán al alcance de nuestras sondas en las próximas décadas ".