O cercetare teoretică realizată de cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) oferă o nouă perspectivă asupra modului în care populațiile biologice concurează atunci când se extind în spațiu. Publicat în revista Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT), studiul arată că avantajul reproductiv (fitness-ul) nu este singurul factor care determină succesul unei specii. Prin combinarea unor ecuații din fizică și biologie, cercetătorii au demonstrat că viteza de extindere și poziția inițială pe frontul de creștere pot permite populațiilor mai puțin adaptate să supraviețuiască și să domine noile teritorii.
- Un model matematic dezvoltat la MIT îmbină ecuația Fisher din biologie cu ecuația KPZ din fizica statistică.
- O viteză mai mare de expansiune nu garantează succesul în colonizarea unui spațiu nou, conform constatărilor.
- Poziționarea favorabilă pe frontul de creștere poate proteja populațiile cu un avantaj competitiv mai redus împotriva dispariției.
Modelele matematice explică separarea coloniilor bacteriene
Punctul de plecare al acestei cercetări l-au reprezentat observațiile anterioare asupra coloniilor de bacterii. În fizica sistemelor aflate în afara echilibrului, descrierea matematică a granițelor de creștere ajută la înțelegerea modului în care structurile complexe se dezvoltă în timp, fără a fi nevoie de simulări biologice extrem de lente.
„Lucrarea a fost inspirată de experimente pe colonii bacteriene în expansiune, în care populații care erau inițial amestecate s-au separat în cele din urmă în sectoare distincte”, explică Sergio Eraso, doctorand la MIT și coautor al studiului alături de fizicianul Mehran Kardar.
Granițele dintre aceste sectoare bacteriene nu s-au deplasat aleatoriu, ci au urmat o scară matematică descrisă de ecuația KPZ (Kardar-Parisi-Zhang), introdusă în 1986 pentru a analiza suprafețele neregulate în creștere. Kardar a primit Medalia Boltzmann în 2025 pentru contribuțiile sale în fizica statistică. În noul studiu, cercetătorii au combinat această ecuație cu modelul Fisher din biologia evoluționistă.
„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”, continuă Eraso.
Viteza de expansiune nu garantează dominanța teritorială
Modelul matematic face o distincție clară între avantajul competitiv local și viteza de extindere a frontului. În funcție de raportul dintre acești doi parametri, frontul de creștere poate lua trei forme caracteristice: o protuberanță rotunjită, o protuberanță compusă cu laturi înclinate sau o adâncitură în formă de V.
„Poate părea surprinzător, dar ceea ce am descoperit este că o viteză mai mare de expansiune nu duce neapărat la un succes mai mare în colonizarea unui teritoriu nou”, explică Sergio Eraso.
Această analiză implică faptul că modelele tradiționale din biologia evoluționistă, care presupun că specia cea mai adaptată câștigă întotdeauna teren, sunt incomplete dacă omit dinamica spațială. În cazul adânciturii în formă de V, populația mai puternică competitiv invadează rivalul de pe margine, dar rămâne în urmă în centru din cauza vitezei mai reduse de avans.
Poziția inițială creează nișe de supraviețuire pe termen lung
Un alt rezultat important al modelului arată că o populație mai puțin adaptată poate evita dispariția dacă se află pe o proeminență a frontului de extindere. Aceste poziții inițiale creează nișe spațiale în care populațiile mai slabe persistă perioade îndelungate.
„S-ar putea spune că strămoșii s-ar fi aflat întâmplător în locul potrivit pentru a asigura succesul urmașilor lor”, arată Eraso. „Dacă aceeași populație ar fi pornit dintr-o poziție mai puțin favorabilă, dezavantajul său adaptativ ar fi putut duce la dispariția ei.”
Deși modelul este o simplificare teoretică, el reproduce fidel formele observate în experimentele cu microorganisme. Autorii subliniază că pasul următor constă în verificarea empirică a acestor predicții.
„Am încercat să identificăm numărul minim de ingrediente necesare pentru a reproduce aceste forme”, concluzionează Eraso. „Experimentele pot testa acum în ce măsură aceleași mecanisme funcționează în populațiile reale.”
Ce părere aveți despre rolul șansei și al poziționării spațiale în evoluția speciilor? Vă așteptăm comentariile și opiniile mai jos.
