Des physiciens résolvent le paradoxe de la biodiversité dans la course aux armements: "Kill the Winner"

Les écosystèmes se développent quand il y a une abondance d’organismes capables d’assumer des fonctions uniques et de remplir différentes niches. Une image rudimentaire de ceci serait comment les plantes utilisent la lumière du soleil, l’eau et les nutriments pour grandir, les herbivores mangent les plantes, les carnivores mangent les herbivores et les champignons décomposent toutes les matières mortes en nutriments pour que les plantes puissent les utiliser. Certains organismes remplissent la même fonction, comme de consommer la même proie, et se font directement concurrence pour ce rôle. Les scientifiques ont qualifié cette richesse d'espèces de «biodiversité», mais ils ont toujours eu du mal à comprendre pleinement sa complexité et à concilier certains des effets paradoxaux de la biodiversité.

L’une de ces questions majeures est ce que l’on appelle le paradoxe de la diversité: pourquoi une espèce supérieure ne rivalise-t-elle pas avec tous ses voisins biologiques et les conduit-elle à l’extinction. Les scientifiques pourraient enfin avoir une résolution à cette énigme. Dans un article publié le 28 décembre dans le journal Lettres d'examen physique, professeur de physique Nigel Goldenfield, Ph.D. et son étudiant diplômé Chi Xue, tous les deux à l'Institut Carl R. Woese de biologie génomique de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, étudient le paradoxe de la diversité à travers une course à la menace microbienne.

À l'aide de l'exemple des virus qui s'attaquent aux bactéries, Goldenfield et Xue montrent comment les prédateurs et les proies se font concurrence. Les bactéries développent de meilleures défenses pour résister aux attaques virales et les virus développent des moyens de les vaincre. Plus le virus s'adapte mieux à un prédateur, plus il est susceptible de décimer sa proie - et donc lui-même. Ce phénomène s'appelle «Kill the Winner», et Goldenfield et Xue affirment qu'il pourrait résoudre le paradoxe de la diversité.

Les prédateurs et leurs proies ressemblent beaucoup à Wile E. Coyote et au Road Runner: ils sont toujours dans une course aux armements pour voir qui peut se surpasser, mais ils vivent aussi dans une sorte d’harmonie. Si Wile E. Coyote installe un piège, le Road Runner emprunte un autre chemin pour l'éviter. Ensuite, Wile E. Coyote pourrait installer deux pièges, l'un sur la route principale et l'autre sur le détour. Mais si ça réussit? Qui reste-t-il à chasser?

Si Wile E. Coyote était en fait un prédateur réussi, il dirigerait les deux et le Road Runner à l'extinction. Goldenfield a examiné cette dynamique dans la relation virus-bactérie en prenant en compte des facteurs tels que la croissance aléatoire de la population. Lui et Xue ont développé un modèle dit stochastique qui tente de capturer certaines des aléas de la nature pour rendre une simulation par ordinateur plus réaliste.

En utilisant l'exemple du plancton, issu de la biologie marine, composé de bactéries, d'algues, de protozoaires et d'autres microorganismes, Goldenfield et Xue montrent comment les virus contrôlent les membres concurrents d'une communauté. En bref, ils affirment qu’il n’existe pas d’état «stable» pour une communauté écologique et qu’il est toujours en mutation. Par exemple, à mesure que la population d’une espèce protozoaire augmente, son virus spécifique à l’hôte a davantage de proies. Par conséquent, la population de cette espèce protozoaire diminue, laissant plus de ressources à sa bactérie voisine, qui connaît alors une explosion similaire avec son virus spécifique à l'hôte.

Par conséquent, l'équilibre apparent dans un tel système est en partie le résultat de la concurrence - écologie - et en partie de la variation génétique qui permet à une espèce de se montrer plus intelligente que ses prédateurs - l'évolution.

«Nos résultats suggèrent fortement que la diversité reflète l'interaction dynamique entre les processus écologiques et évolutifs, et est fonction de la distance qui sépare le système d'un état écologique d'équilibre (ce qui pourrait être quantifié par des écarts par rapport à l'équilibre détaillé)», écrivent Goldenfield et Xue.

Leur modèle, qu’ils appellent le modèle Coevolving Kill the Winner, ne tient pas seulement compte de l’écologie mais aussi de l’évolution, et dit qu’il est beaucoup plus holistique que les modèles précédents qui ne tiennent compte que de l’utilisation des ressources.

«Au sein de la communauté bactérienne, différentes souches ont des taux de croissance distincts. Ils coexistent, sans vainqueur dominant, en raison de virus spécifiques à l'hôte contrôlant les souches correspondantes. Il en résulte deux couches de coexistence par la dynamique KtW (coexistence bactéries-plancton et coexistence de souches bactériennes), reposées comme des poupées russes. ”

Est-ce une solution parfaite? En aucun cas. Aucun modèle informatique ne peut capturer toute la complexité d'un système naturel. Mais celui-ci parie beaucoup plus près que les efforts précédents.