ウィルスとバクテリアとの共生「武器競争」は、「勝者を殺す」ことによって多様性を解決する

Anonim

地球上の最も極端な生態系を除き、すべてにおいて顕著な生物多様性があります。 多くの生物が同じ有限資源と競合している場合、競争的排除と呼ばれる理論は、ある種が他の種よりも優れており、生物多様性を制限して絶滅に導くことを示唆しています。 しかし、これは私たちが自然界で観察していることではありません。 人口動態の理論的モデルは、多様性のパラドックスとして知られるようになったことについて完全に満足のいく説明を提示していない。

イリノイ大学アーバナシャンペーン校のCarl R. Woeseゲノム生物学研究所の研究者たちは、「Kill​​ the Winner」として知られている多様性に関する一般的なシナリオを改善することで、この基本的な生態学的問題について新たな光を当てています。 Goldenfeldが指揮するNASAのユニバーサル生物学研究所でサポートされているChi XueとNigel Goldenfeldは、非平衡統計力学の観点から多様性のパラドックスに近づいた。

GoldenfeldとXueは、種間の競争や競合種の同時捕食を含む、生態系に見られる複数の要因を説明する確率モデルを開発した。 研究者らは、バクテリアとその宿主特異的ウイルスを例にして、バクテリアがウイルスに対する防御を進めるにつれて、ウイルス集団もバクテリアと戦うように進化していることを示した。 この「軍拡競争」は、特定の種が生態系を支配して崩壊するいわゆる「勝利者を殺す」現象の両方の多様な人口とブーム・バスト・サイクルにつながります。 この共生武器競争は、多様性パラドックスに対する可能な解決策を生み出すのに十分である。

これらの調査結果は、2017年12月28日の Physical Review Letters に掲載されました。「CoevolutionはStochasticの多様性を維持します」「勝者のモデルを殺す」 ( PRL 、119, 268101, 2017)。

GoldenfeldとXueは、プランクトンのパラドックスである海洋生物学の多様性パラドックスの古典的な例を検討しました。 観測された海洋生態系では、多くのプランクトン種と細菌株が共存し、多様性が高い。

ゴールデンフェルド氏は、「パラドックスを解く仮説はたくさんありますが、私たちが興味を持っているのは、「Kill​​ the Winner」(KtW)仮説です。一言で言えば、多様性パラドックスの問題は、実際の生態系は決して安定した状態にはなりませんが、捕食者と獲物の相互作用のために人口の変動が起こります。

このシナリオでは、特定の細菌種が生態系を支配し始めると、優先的に摂食するウイルス(または細菌のファージ)が検出されます。このウイルスの攻撃の後、その細菌のファージによってその個体数が同様に減少するまで、他の細菌種が一番豊富に出現するかもしれません。これは、この宿主には多くの標的があり、増殖して宿主 - 細菌集団を淘汰します。宿主特異的な捕食は、優勝者が出現するのを防ぐことによって競合種の共存を維持するので、ある意味では、種はブーム・バスト・サイクルの豊富さを経験する」

さらに、プランクトンが資源と競合するシステムでは、すべての細菌株を狩り出す原生動物群は、細菌集団全体の集団を非選択的に抑制し、プランクトン種が生き残るための空間を残す。 KtWのアイデアは、第1層としてのバクテリアとプランクトンの共存、第2層としての細菌株の共存という2つの層で成り立っています。これは非常に魅力的な理論であり、海洋生態学において最も影響力のあるアイデアの1つとなっています。

しかし、KtWの最初の構成では、広く使用されていた技術的な簡素化が必要でした。 Xueは次のように指摘しています。「元のKtWモデルは、空間的変動や変動の影響を考慮しておらず、連続的なバイオマス濃度と決定論的な常微分方程式で定式化されています。この処方では、ウイルスの捕食の間に空間領域内の細菌の集団は小さくなることがありますが、決してゼロにはならないという意味で、細菌の数は分現実には、ゼロ、1、2などの整数でなければならない。この理論はウイルス攻撃の間に何が起こるかを過小評価し、特に絶滅を捕らえることはできない」

単純化されたモデルを超えて、XueとGoldenfeldは、KtWシナリオが以前に行われた計算よりも詳細な計算から実際に出現したかどうかを見るために、バクテリアとウイルスとの相互作用の確率モデルを開発しました。

彼らのモデルは、ガス中の衝突する原子を記述するために統計的熱力学で使用されているのと同様の方法を用いて、細菌 - ウイルス遭遇の結果を説明した。 XueとGoldenfeldは、細菌とウイルスの出会いを理解することから母集団の行動を計算する統計力学的手法を使用していました。

Goldenfeldは、KtWシナリオが手作業で計算されなかったと説明した。 彼らの目標は、KtWが出現したかどうかを知るために、個々のレベルで細菌とウイルスの相互作用をモデル化することでした。 しかし、彼らのシミュレーションから、Xueと

ゴールデンフェルドはKtWのダイナミクスだけでなく、モデルの種が共存していないことに気付きました。彼らは絶滅の危機に瀕していました。

Xue氏は、「確率的に存在する元のKtWモデルは、私たちには驚きでしたが、確率的性質は自然のランダム性に近いものを表しています。 研究者は、モデル化しようとした人口変動とは別に、生態系が定常状態にない別の方法があることを認識しました。

実際の生態系も進化しています。 実際、それらが共進化をモデルに組み込んだとき、モデルは自然界で観察された生物多様性を再現した。

ゴールデンフェルド氏は、「我々の海洋生物学の例における生態系の場合、各細菌株とその宿主特異的ウイルスが、競争相手として競合する際に共進化している。ウイルスの攻撃は、新しい防衛に対抗するためにウイルスが進化しています。このKtWの共起モデルでは、武器競争は細菌とウイルスの両方の菌株に起こる突然変異によって引き起こされます。

Xue氏は、この考え方はゲノミクスからの支持を得ていると付け加えています。 研究者、特に海洋微生物生態学では、異なる細菌株が、ファージ耐性に関連すると考えられているゲノム領域に強い変異を示すことを発見した。この観察は、細菌ゲノムの多様性とウイルス捕獲とを結びつけ、 KtWフレームワーク。

"そして、絶滅の問題は今避けることができます"と、Xueは続けます。 このような共進化メカニズムは、空間的異質性に加えて多様性を助長するものでもあります。特定の株が絶滅した場合特定の領域の領域であれば、他の場所からその株が移動または拡散することによって再播種される可能性があるため、長期間に渡ってシステムの多様性は維持されます。

ゴールデンフェルド氏は、確率論的モデリングの使用が、すでによく知られている共進化武器競技を単純なモデルの中に含めることを可能にし、そこからキル・ザ・ウィナーのダイナミクスがどのように浮かび上がったのかを見ることは満足であると述べている。

「KtWモデルは非常に重要なアイデアですが、共進化や空間変動などの追加要因によって補完する必要があります」と述べています。私たちの理論モデルは、私たちが説明しようとしていた多様性を捕捉しただけでなく、ゲノム学の分野から見かけ上切り離された一連のデータと一致しており、満足のいく語りを提供しています。生態系のレベルからゲノムそのものにまで及ぶ」

GoldenfeldとXueは、この問い合わせの行をさらに追求する予定です。 彼らは、多様性は、生態系が平衡からどれくらい離れているかに一般に関係していると推測している。 将来の研究は、多様性と平衡からの距離との関係を定量化しようとする。

この理論的研究の結果は、原理的には実験で試験可能である:

「私は、KtWモデルが、バクテリアとファージを共生させて実験を行うことによって試験できる可能性について、最も興奮しています。 「短い再生時間と高い突然変異頻度は、微生物系を、進化的および生態学的力学が同じ時間スケールで起こるモデルを試験するのに適した候補となる」

研究者のこの問題への関心は、一見異なる領域の科学から生じた。 ゴールデンフェルド氏は、この研究は、天体生物学における未解決の問題と、地球外の世界の生命を検出するための意味を持つと説明しています。

「生態系の多様性、特に微生物の多様性は、惑星環境で生存するだけでなく、検出可能な生命が生きる可能性を理解する重要な要素です。海洋微生物生態学は、エウロパ(木星の月)とエンケラドゥス(土星の月)の液体水の世界的な海洋であり、生物多様性を推進する基本的なメカニズムを理解することは、陸上生態系の広範な特徴である今後数十年にわたってプローブの範囲内に入る世界での非陸生の観察可能性を予測するのに役立つ」と語った。

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