O nouă analiză statistică a comportamentului coloniilor bacteriene arată că și speciile mai puțin „adaptate” pot concura cu succes împotriva altora și le pot depăși, informează publicația CONNECTSCI.
„Supraviețuirea celui mai apt” (n.r. în engleză: survival of the fittest) este o expresie populară folosită pentru a descrie pe scurt selecția naturală. Organismele cel mai bine adaptate mediului lor au cele mai mari șanse de a supraviețui și, mai presus de toate, de a se reproduce. În acest context, adaptabilitatea nu înseamnă neapărat forță fizică, ci un avantaj reproductiv.
Totuși, un nou studiu, publicat în revista „Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment” (JSTAT), a utilizat modele matematice pentru a descrie expansiunea coloniilor bacteriene aflate în competiție, observată în experimente anterioare.
Echipa a urmărit să identifice factorii care determină succesul unei populații în detrimentul alteia. Cercetătorii au descoperit că avantajul reproductiv nu era singurul factor și nici neapărat cel decisiv.
„Studiul a fost inspirat de experimente privind expansiunea coloniilor bacteriene, în cadrul cărora populațiile, inițial amestecate, s-au separat ulterior în sectoare distincte”, menționează coautorul Sergio Eraso, doctorand la Massachusetts Institute of Technology (MIT) din SUA.
Un aspect deosebit de frapant a fost cel legat de granițele dintre sectoare. Acestea nu se deplasau aleatoriu, conform difuziei obișnuite, ci cu o viteză mai mare. Deplasarea acestor granițe a urmat o lege matematică de scalare specifică sistemelor aflate în afara echilibrului, introdusă în 1986 de Mehran Kardar, Giorgio Parisi și Yi-Cheng Zhang.
Această predicție, cunoscută sub numele de ecuația Kardar-Parisi-Zhang (KPZ), descrie modul în care evoluează în timp fronturile de creștere neregulate. Kardar a primit Medalia Boltzmann pe anul 2025 pentru contribuțiile sale la fizica statistică a sistemelor aflate în afara echilibrului, inclusiv pentru activitatea sa legată de modelul KPZ. De asemenea, el este fizician la MIT și coautor al studiului publicat în JSTAT.
Un exemplu în acest sens este aprinderea unui colț al unei foi de hârtie. Marginea care arde nu înaintează în linie dreaptă, ci capătă o formă neregulată.
Un proces similar are loc în coloniile de bacterii. Celulele nu se reproduc toate simultan, ceea ce duce la un front de creștere neuniform și influențează deplasarea limitelor interne.
„În această lucrare, modelul central combină ecuația KPZ cu ecuația Fisher – un model clasic din biologia evoluționistă care descrie modul în care o populație cu un avantaj selectiv se răspândește în spațiu”, explică Eraso.
Modelul dezvoltat de Eraso și Kardar face distincția între avantajul competitiv și viteza de expansiune. O populație poate ieși învingătoare într-o competiție locală, dar poate înainta mai lent.
Modelul generează trei forme diferite ale frontului, în funcție de echilibrul dintre acești factori:
- protuberanță rotunjită,
- protuberanță compusă cu laturi înclinate
- adâncitură în formă de V.
În ultimul caz, populația cu un avantaj competitiv continuă să invadeze populația rivală dinspre margini, dar rămâne în urmă în zona centrală, deoarece se extinde mai lent.
„Poate părea surprinzător, dar constatăm că o viteză de expansiune mai mare nu duce neapărat la un succes mai mare în colonizarea unor teritorii noi”, subliniază Eraso.
CITEȘTE ȘI: Dispariția unui număr foarte mare de specii de plante lasă oamenii fără medicamente
Modelul arată, de asemenea, modul în care norocul poate face ca populații mai puțin adaptate să rămână dominante. O populație mai puțin adaptată poate supraviețui dacă ocupă o poziție dominantă, cum ar fi un vârf sau o proeminență. „S-ar putea spune că strămoșii s-au aflat, pur și simplu, în locul potrivit pentru a asigura succesul urmașilor lor. Dacă aceeași populație ar fi pornit dintr-o poziție mai puțin favorabilă, dezavantajul său adaptativ ar fi putut duce la dispariție.”, afirmă Eraso
Eraso și Kardar precizează că modelul lor este unul teoretic și simplificat, dar reproduce tiparele de creștere a coloniilor bacteriene observate în experimente. „Acest lucru nu înseamnă că am demonstrat că mecanismul de bază este identic, ci arată că sunt suficiente doar câteva elemente – diferențele în ceea ce privește capacitatea competitivă și viteza de expansiune – pentru a reproduce calitativ aceste forme. Am încercat să identificăm numărul minim de elemente necesare pentru a reproduce aceste forme. Experimentele pot acum verifică în ce măsură aceleași mecanisme sunt prezente și în populațiile reale.”, susține Eraso.
