Fisikawan Memecahkan Paradoks Senjata-Ras Keanekaragaman Hayati: "Bunuh Pemenang"

Ekosistem tumbuh subur ketika ada banyak organisme yang mampu melakukan fungsi unik dan mengisi ceruk yang berbeda. Gambaran mendasar dari ini adalah bagaimana tanaman menggunakan sinar matahari dan air dan nutrisi untuk tumbuh, herbivora memakan tanaman, karnivora memakan herbivora, dan jamur membusuk semua materi mati kembali menjadi nutrisi untuk digunakan oleh tanaman. Beberapa organisme melakukan fungsi yang sama, seperti mengonsumsi mangsa yang sama, dan secara langsung bersaing satu sama lain untuk peran ini. Para ilmuwan menggambarkan kekayaan spesies ini sebagai "keanekaragaman hayati," tetapi selalu berjuang untuk memahami sepenuhnya kompleksitasnya, dan merekonsiliasi beberapa efek paradoks keanekaragaman hayati.

Salah satu pertanyaan utama ini adalah apa yang dikenal sebagai paradoks keanekaragaman: Mengapa satu spesies unggul tidak kalah bersaing dengan semua tetangga biologisnya dan mendorong mereka ke kepunahan. Para ilmuwan akhirnya mungkin memiliki resolusi untuk teka-teki ini. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan 28 Desember di jurnal Surat Tinjauan Fisik, profesor fisika Nigel Goldenfield, Ph.D. dan mahasiswa pascasarjana Chi Xue, keduanya di Carl R. Woese Institute for Genomic Biology di University of Illinois di Urbana-Champaign, menyelidiki paradoks keragaman melalui perlombaan senjata mikroba.

Menggunakan contoh virus yang memangsa bakteri, Goldenfield dan Xue menunjukkan bagaimana predator dan mangsa bersaing untuk saling mengalahkan. Bakteri mengembangkan pertahanan yang lebih baik untuk menahan serangan virus, dan virus mengembangkan cara untuk mengatasi pertahanan itu. Semakin baik virus beradaptasi sebagai predator, semakin besar kemungkinan untuk memusnahkan mangsanya - dan karena itu sendiri. Fenomena ini disebut "Bunuh Pemenang," dan Goldenfield dan Xue mengatakan itu bisa menyelesaikan paradoks keanekaragaman.

Predator dan mangsa mereka sangat mirip dengan Wile E. Coyote dan Road Runner: Mereka selalu berlomba untuk melihat siapa yang bisa mengakali yang lain, tetapi mereka juga hidup dalam semacam harmoni. Jika Wile E. Coyote membuat jebakan, Road Runner mengambil rute yang berbeda untuk menghindarinya. Kemudian Wile E. Coyote mungkin memasang dua jebakan, satu di rute utama dan satu di jalan memutar. Tetapi bagaimana jika itu berhasil? Siapa yang tersisa untuk dimangsa?

Jika Wile E. Coyote sebenarnya adalah predator yang sukses, itu akan mendorong keduanya dan Road Runner menuju kepunahan. Dinamika ini adalah yang diperiksa Goldenfield dalam hubungan virus-bakteri, dengan mempertimbangkan faktor-faktor seperti pertumbuhan populasi acak. Dia dan Xue mengembangkan model stokastik yang disebut yang mencoba menangkap beberapa keacakan alam untuk membuat simulasi komputer lebih realistis.

Menggunakan contoh biologi kelautan dari plankton, yang terdiri dari bakteri, ganggang, protozoa, dan mikroorganisme lainnya, Goldenfield dan Xue menunjukkan bagaimana virus menjaga anggota yang bersaing dari suatu komunitas di bawah kendali. Singkatnya, mereka berpendapat bahwa tidak ada yang namanya "kondisi mapan" untuk komunitas ekologis dan selalu berubah. Sebagai contoh, ketika satu spesies protozoa tumbuh dalam populasi, virus spesifik inangnya memiliki lebih banyak mangsa. Oleh karena itu, populasi spesies protozoa kembali turun, meninggalkan lebih banyak sumber daya untuk tetangga bakteri, yang kemudian mengalami boom dan bust yang serupa dengan virus spesifik inangnya.

Oleh karena itu, keseimbangan yang jelas dalam sistem semacam itu sebagian merupakan hasil dari kompetisi - ekologi - dan sebagian hasil dari variasi genetik yang memungkinkan satu spesies mengakali predatornya - evolusi.

"Hasil kami sangat menunjukkan bahwa keragaman mencerminkan interaksi dinamis antara proses ekologis dan evolusi, dan didorong oleh seberapa jauh sistem ini dari keadaan ekologi ekuilibrium (sebagaimana dapat dikuantifikasi oleh penyimpangan dari keseimbangan terperinci)," tulis Goldenfield dan Xue.

Model mereka, yang mereka sebut model Coevolving Kill the Winner, tidak hanya memperhitungkan ekologi tetapi juga evolusi, dan mereka mengatakan itu jauh lebih holistik daripada model sebelumnya yang hanya memperhitungkan penggunaan sumber daya.

“Di dalam komunitas bakteri, strain yang berbeda memiliki tingkat pertumbuhan yang berbeda. Mereka hidup berdampingan, tanpa pemenang yang mendominasi, karena virus khusus host yang mengendalikan strain yang sesuai. Ini menghasilkan dua lapisan koeksistensi melalui dinamika KtW (koeksistensi bakteri-plankton dan koeksistensi strain bakteri), beristirahat seperti boneka Rusia. ”

Apakah ini solusi yang sempurna? Dengan tidak bermaksud. Tidak ada model komputer yang dapat menangkap semua kompleksitas sistem alami. Tapi yang ini bertaruh jauh lebih dekat dari upaya sebelumnya.