Математическая модель объяснила парадокс планктона

Ученые математически смоделировали жизнь микробных сообществ, объяснив, как им удается поддерживать разнообразие и стабильность одновременно. 

Много лет биологи не могли разгадать секрет сообщества морских микроорганизмов и понять, как оно может быть столь разнообразным, оставаясь при этом стабильным. Такими чертами могут похвастаться не только одноклеточные обитатели водоемов, но и сообщества микробов, живущие в телах крупных организмов и в других местах.

В большинстве таких сообществ есть «центральные» виды, представителей которых больше всего, и «периферические» — менее важные. Они все конкурируют за один ресурс или ограниченный круг ресурсов. Согласно предыдущим подсчетам и более ранним моделям, рост численности одних популяций должен быть резким и экспоненциальным, что может нарушить равновесие всего сообщества. Побеждая в численности, одни популяции должны захватывать большую часть ресурса, лишая остальных пищи по принципу конкурентного исключения. Но в реальности такого не происходит, и сообщество сохраняет стабильность. Ученые называют это парадоксом планктона.

Одна из главных теорий, объясняющих парадокс, базируется на двух основных принципах. Первый состоит в том, что некоторые бактерии поедают отбросы и отходы, которые выделяют остальные. Другой опирается на то, что новички в сообществе должны выбирать свободные экологические ниши или лучше, чем другие члены сообщества, занимать уже существующие.

Исследователи создали математическую симуляцию этой теории, задав набор начальных правил. Каждый участник сообщества мог потреблять лишь один тип ресурса, вызывая производство двух новых типов. Также ученые предположили, что появляющиеся члены экосистемы могут выжить, только если они найдут себе нишу, заняв пустую или научившись лучше использовать уже занятый ресурс.

Модель позволила создать виртуальное сообщество, где, как и в настоящих сообществах микроорганизмов, сохранялись стабильность и многообразие. Математики заметили, что на ранних стадиях развития их виртуальной экосистемы иногда возникали повальные «вымирания», когда власть захватывали новые виды, более эффективно использующие ресурс. Затем погибали виды, питавшиеся отходами бывших «фаворитов». Но со временем сообщество стало более стабильным, и такие вымирания стали случаться намного реже.