Existe uma biodiversidade notável em todos os ecossistemas, exceto nos mais extremos da Terra. Quando muitas espécies estão competindo pelo mesmo recurso finito, uma teoria chamada exclusão competitiva sugere que uma espécie superará as outras e as levará à extinção, limitação da biodiversidade. Mas não é isso que observamos na natureza. Os modelos teóricos da dinâmica populacional não apresentam uma explicação totalmente satisfatória para o que veio a ser conhecido como paradoxo da diversidade.

Agora, pesquisadores do Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign lançaram uma nova luz sobre esta questão fundamental na ecologia, melhorando um cenário popular proposto para a diversidade conhecido como "Mate o Vencedor". Chi Xue e Nigel Goldenfeld, apoiado pelo Instituto de Astrobiologia da NASA para Biologia Universal, que Goldenfeld dirige, abordou o paradoxo da diversidade a partir da perspectiva da mecânica estatística do desequilíbrio.

Goldenfeld e Xue desenvolveram um modelo estocástico que leva em consideração vários fatores observados nos ecossistemas, incluindo competição entre espécies e predação simultânea nas espécies competidoras. Usando bactérias e seus vírus específicos do hospedeiro como exemplo, os pesquisadores mostraram que, à medida que as bactérias desenvolvem defesas contra o vírus, a população de vírus também evolui para combater a bactéria. Essa "corrida armamentista" leva a uma população diversificada de ambos e a ciclos de expansão e queda quando uma espécie particular domina o ecossistema e então entra em colapso - o chamado fenômeno "Mate o Vencedor". Essa corrida armamentista coevolucionária é suficiente para produzir uma possível solução para o paradoxo da diversidade.

Essas descobertas foram publicadas em 28 de dezembro, 2017, no Cartas de revisão física , no artigo, "A coevolução mantém a diversidade no modelo estocástico 'Mate o vencedor'." ( PRL , 119, 268101, 2017).

Goldenfeld e Xue olharam para um exemplo clássico do paradoxo da diversidade da biologia marinha, o paradoxo do plâncton. Em ecossistemas marinhos observados, muitas espécies de plâncton e cepas bacterianas coexistem e têm alta diversidade.

Goldenfeld explica, "Existem muitas hipóteses provisórias para resolver o paradoxo. Aquela em que estamos interessados ​​é a hipótese 'Mate o Vencedor' (KtW). Em suma, diz que o problema com o paradoxo da diversidade é a suposição de um estado estacionário. Um ecossistema real nunca está em um estado estacionário, mas sofre flutuações populacionais devido à interação entre predadores e presas.

"Tomemos, por exemplo, cepas concorrentes de bactérias, cada um dos quais é vítima de um vírus específico do hospedeiro. Neste cenário, assim que uma determinada espécie bacteriana começa a dominar o ecossistema, o vírus (ou fago bacteriano) que ataca preferencialmente esse hospedeiro terá muitos alvos, e assim vai proliferar, abate a população de bactérias hospedeiras. Após este ataque viral, outra espécie bacteriana pode emergir como a mais abundante por um tempo, até que sua população seja igualmente diminuída por seu fago bacteriano. Esta predação específica do hospedeiro mantém a coexistência de espécies concorrentes, evitando que um vencedor surja, de modo que, de certa forma, espécies passam por ciclos de abundância e expansão. "

"Além disso, "Xue acrescenta, "em um sistema onde o plâncton compete com as bactérias por um recurso, um grupo de protozoários que caça todas as cepas bacterianas suprime não seletivamente a população de toda a comunidade bacteriana e, portanto, deixa espaço para a sobrevivência das espécies de plâncton. A ideia do KtW funciona em duas camadas aqui:a coexistência de bactérias e plâncton como a primeira camada, e a coexistência de cepas bacterianas como a segunda. É uma teoria muito atraente e se tornou uma das idéias mais influentes na ecologia marinha. "

Contudo, a formulação original do KtW exigia uma simplificação técnica amplamente utilizada. Xue aponta, "O modelo KtW original não levou em consideração as variações espaciais ou quaisquer efeitos de flutuação, e foi formulado em termos de concentrações contínuas de biomassa e equações diferenciais ordinárias determinísticas. O significado disso é que ele explica incorretamente o que acontece quando os vírus atacam as bactérias, por exemplo. Nesta formulação, a população de bactérias em uma região do espaço pode ficar cada vez menor durante a predação viral, mas nunca chega a zero. Num sentido, a teoria permite que o número de bactérias seja uma fração, quando na realidade deve ser um número inteiro como zero, 1, dois, etc. Portanto, a teoria subestima o que acontece durante o ataque viral, e, em particular, não pode capturar a extinção. "

Para ir além do modelo simplificado, Xue e Goldenfeld desenvolveram um modelo estocástico de interações vírus-bactéria que poderia descrever as flutuações populacionais, para ver se o cenário KtW realmente emergiu de cálculos mais detalhados do que os realizados anteriormente.

Seu modelo descreveu o resultado dos encontros entre bactérias e vírus usando um método semelhante ao usado na termodinâmica estatística para descrever a colisão de átomos em um gás. Assim como se pode calcular as propriedades dos gases - como ondas sonoras e efeitos térmicos - a partir da compreensão das colisões atômicas, Xue e Goldenfeld usaram métodos de mecânica estatística para computar o comportamento das populações a partir da compreensão dos encontros entre bactérias e vírus.

Goldenfeld explicou que o cenário KtW não foi colocado em seus cálculos manualmente. Seu objetivo era modelar as interações vírus-bactéria em um nível individual para ver se o KtW emergia. Contudo, de suas simulações, Xue e

Goldenfeld ficou surpreso ao descobrir que as espécies em seu modelo nem mesmo coexistiam, muito menos exibiam a dinâmica do KtW - elas foram levadas à extinção!

Xue observou, "O colapso do modelo KtW original na presença de estocasticidade foi uma surpresa para nós. A estocasticidade representa algo mais próximo da aleatoriedade da natureza. Não esperávamos que esse modelo muito razoável falhasse." Os pesquisadores perceberam que há outra maneira pela qual os ecossistemas não estão em um estado estacionário, separado das flutuações populacionais que eles tentaram modelar.

Ecossistemas reais também estão evoluindo. De fato, quando eles também incluíram coevolução em seu modelo, o modelo recapitulou a biodiversidade observada na natureza.

Goldenfeld descreve, “No caso do ecossistema em nosso exemplo de biologia marinha, há coevolução de cada cepa de bactéria e seu vírus específico do hospedeiro à medida que competem no que pode ser descrito como uma corrida armamentista. À medida que as bactérias encontram maneiras de escapar do ataque de vírus, os vírus evoluem para combater as novas defesas. Neste modelo KtW co-evolutivo, a corrida armamentista é impulsionada por mutações que surgem tanto em cepas bacterianas quanto virais ”.

Xue acrescenta, esta ideia tem suporte da genômica. "Pesquisadores, especialmente na ecologia microbiana marinha, descobriram que diferentes cepas bacterianas apresentam forte variação em regiões de seus genomas que se acredita estarem associadas à resistência a fagos. Esta observação liga a diversidade de genomas bacterianos à predação de vírus e está de acordo com nossa estrutura KtW co-evolutiva. "

"E o problema da extinção agora pode ser evitado, "Xue continua." Quando uma cepa se extingue, isto, ou algo próximo a isso, ainda pode ressurgir mais tarde como um mutante de outra cepa. Este mecanismo co-evolutivo atua além da heterogeneidade espacial, o que também ajuda a diversidade:se uma determinada cepa se extinguir em uma determinada região do espaço, é possível que ele possa ser semeado novamente pela migração ou difusão daquela cepa de algum outro lugar. Assim, em escalas de tempo longas, a diversidade do sistema é mantida. "

Goldenfeld diz que foi satisfatório ver como o uso de modelagem estocástica permitiu à equipe incluir a já conhecida corrida armamentista coevolucionária dentro de um modelo simples, da qual surgiu a dinâmica Kill-the-Winner.

"O modelo KtW é uma ideia profundamente importante, "ele afirma, "mas ela precisa ser complementada por fatores adicionais, como coevolução e variação espacial. Nosso trabalho demonstra o colapso da versão mais simples, porém mais amplamente usada, da teoria e apresenta uma maneira de restaurar seu poder explicativo. É empolgante que nossa teoria modelo não apenas capturou a diversidade que estávamos tentando explicar, mas também é consistente com uma cadeia de dados aparentemente desconectada do campo da genômica, proporcionando assim uma narrativa satisfatória que funciona desde o nível dos ecossistemas até o genoma em si. "

Goldenfeld e Xue planejam prosseguir com essa linha de investigação. Eles especulam que a diversidade está geralmente relacionada a quão longe um ecossistema está do equilíbrio. Trabalhos futuros tentarão quantificar a relação entre diversidade e distância do equilíbrio.

Os resultados deste estudo teórico são, em princípio, testáveis ​​em experimentos:

"Estou muito animado com a possibilidade de que o modelo KtW co-evolutivo possa ser testado por meio de experimentos com bactérias e fagos co-evolutivos, "Comenta Xue." O curto tempo de reprodução e a alta frequência de mutação tornam os sistemas microbianos um bom candidato para testar modelos nos quais a dinâmica evolutiva e ecológica acontecem na mesma escala de tempo. "

O interesse dos pesquisadores por este problema surgiu de uma área aparentemente diferente da ciência. Goldenfeld explica que este trabalho tem implicações para questões em aberto na astrobiologia e para a detecção de vida em mundos extraterrestres.

“A diversidade dos ecossistemas, especialmente os microbianos, é um fator chave para entender a probabilidade de que a vida possa ganhar espaço suficiente em um ambiente planetário não apenas para sobreviver, mas também para ser detectável. Com a descoberta inovadora pela missão Cassini de oceanos globais de água líquida na Europa (lua de Júpiter) e Enceladus (lua de Saturno), a ecologia microbiana marinha está prestes a se tornar um componente ainda mais ativo da astrobiologia. Compreender os mecanismos fundamentais que impulsionam a biodiversidade - uma característica difundida dos ecossistemas terrestres - nos ajudará a prever a observabilidade da vida não terrestre em mundos que estarão ao alcance de nossas sondas nas próximas décadas. "