Il existe une biodiversité remarquable dans tous les écosystèmes de la Terre, sauf les plus extrêmes. Lorsque de nombreuses espèces sont en compétition pour la même ressource finie, une théorie appelée exclusion compétitive suggère qu'une espèce surpassera les autres et les conduira à l'extinction, limiter la biodiversité. Mais ce n'est pas ce que nous observons dans la nature. Les modèles théoriques de la dynamique des populations n'ont pas présenté une explication pleinement satisfaisante de ce que l'on a appelé le paradoxe de la diversité.

Aujourd'hui, des chercheurs du Carl R. Woese Institute for Genomic Biology de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont jeté un nouvel éclairage sur cette question fondamentale en écologie, en améliorant un scénario proposé populaire pour la diversité connu sous le nom de « Kill the Winner ». Chi Xue et Nigel Goldenfeld, soutenu par l'Institut d'astrobiologie de la NASA pour la biologie universelle, que dirige Goldenfeld, a abordé le paradoxe de la diversité du point de vue de la mécanique statistique de non-équilibre.

Goldenfeld et Xue ont développé un modèle stochastique qui tient compte des multiples facteurs observés dans les écosystèmes, y compris la compétition entre les espèces et la prédation simultanée sur les espèces concurrentes. En utilisant des bactéries et leurs virus spécifiques à l'hôte comme exemple, les chercheurs ont montré qu'à mesure que les bactéries développent des défenses contre le virus, la population virale évolue également pour lutter contre la bactérie. Cette "course aux armements" conduit à une population diversifiée des deux et à des cycles d'expansion-récession lorsqu'une espèce particulière domine l'écosystème puis s'effondre - le phénomène appelé "Kill the Winner". Cette course aux armements coévolutive est suffisante pour apporter une solution possible au paradoxe de la diversité.

Ces résultats ont été publiés le 28 décembre 2017, dans Lettres d'examen physique , dans l'article, "La coévolution maintient la diversité dans le modèle stochastique 'Tuez le gagnant'." ( PRL , 119, 268101, 2017).

Goldenfeld et Xue ont examiné un exemple classique du paradoxe de la diversité de la biologie marine, le paradoxe du plancton. Dans les écosystèmes marins observés, de nombreuses espèces de plancton et souches bactériennes coexistent et présentent une grande diversité.

Goldenfeld explique, « Il existe de nombreuses hypothèses provisoires pour résoudre le paradoxe. Celle qui nous intéresse est l'hypothèse « Kill the Winner » (KtW). En un mot, il dit que le problème avec le paradoxe de la diversité est l'hypothèse d'un état stable. Un véritable écosystème n'est jamais dans un état stable, mais subit des fluctuations de population en raison de l'interaction entre les prédateurs et les proies.

« Prenez par exemple les souches de bactéries concurrentes, dont chacun est la proie d'un virus spécifique à l'hôte. Dans ce scénario, dès qu'une espèce bactérienne particulière commence à dominer dans l'écosystème, le virus (ou le phage bactérien) qui s'attaque préférentiellement à cet hôte aura de nombreuses cibles, et ainsi va proliférer, l'abattage de la population de bactéries hôtes. Après cette attaque virale, une autre espèce bactérienne peut émerger comme la plus abondante pendant un certain temps, jusqu'à ce que sa population soit également diminuée par son phage bactérien. Cette prédation spécifique à l'hôte maintient la coexistence d'espèces concurrentes en empêchant un gagnant d'émerger, de sorte que dans un sens, les espèces passent par des cycles d'expansion-récession d'abondance. »

"De plus, " Xue ajoute, "dans un système où le plancton rivalise avec les bactéries pour une ressource, un groupe de protozoaires qui traque toutes les souches bactériennes supprime de manière non sélective la population de l'ensemble de la communauté bactérienne et laisse ainsi de la place aux espèces planctoniques pour survivre. L'idée KtW fonctionne ici sur deux couches :la coexistence de bactéries et de plancton comme première couche, et la coexistence de souches bactériennes comme deuxième. C'est une théorie très attrayante et elle est devenue l'une des idées les plus influentes en écologie marine."

Cependant, la formulation originale de KtW nécessitait une simplification technique largement utilisée. Xue fait remarquer, "Le modèle KtW original ne tenait pas compte des variations spatiales ou des effets de fluctuation, et a été formulé en termes de concentrations continues de biomasse et d'équations différentielles ordinaires déterministes. La signification de ceci est qu'il explique de manière incorrecte ce qui se passe lorsque des virus attaquent des bactéries, par exemple. Dans cette formule, la population de bactéries dans une région de l'espace peut devenir de plus en plus petite lors de la prédation virale, mais n'atteint jamais zéro. Dans un sens, la théorie permet au nombre de bactéries d'être une fraction, alors qu'en réalité ce doit être un entier comme zéro, une, deux, etc. Ainsi, la théorie sous-estime ce qui se passe lors d'une attaque virale, et en particulier ne peut pas capturer l'extinction."

Pour aller au-delà du modèle simplifié, Xue et Goldenfeld ont développé un modèle stochastique d'interactions bactérie-virus qui pourrait décrire les fluctuations de population, afin de voir si le scénario KtW est réellement ressorti de calculs plus détaillés que ceux menés précédemment.

Leur modèle décrit le résultat des rencontres bactéries-virus en utilisant une méthode similaire à celle utilisée en thermodynamique statistique pour décrire les atomes en collision dans un gaz. Tout comme on peut calculer les propriétés des gaz, telles que les ondes sonores et les effets thermiques, à partir de la compréhension des collisions atomiques, Xue et Goldenfeld ont utilisé des méthodes de mécanique statistique pour calculer le comportement des populations à partir de la compréhension des rencontres bactéries-virus.

Goldenfeld a expliqué que le scénario KtW n'avait pas été intégré à leurs calculs à la main. Leur objectif était de modéliser les interactions bactéries-virus à un niveau individuel pour voir si KtW a émergé. Cependant, à partir de leurs simulations, Xue et

Goldenfeld a été surpris de découvrir que les espèces de leur modèle ne coexistaient même pas et encore moins présentaient une dynamique KtW - elles ont été conduites à l'extinction !

Xue a noté, "La panne du modèle KtW original en présence de stochasticité nous a surpris. La stochasticité représente quelque chose de plus proche du caractère aléatoire de la nature. Nous ne nous attendions pas à ce que ce modèle très raisonnable échoue." Les chercheurs ont réalisé qu'il existe une autre façon dont les écosystèmes ne sont pas dans un état stable, distinct des fluctuations de population qu'ils avaient tenté de modéliser.

Les écosystèmes réels évoluent également. En effet, quand ils ont aussi inclus la coévolution dans leur modèle, le modèle a récapitulé la biodiversité observée dans la nature.

Goldenfeld décrit, "Dans le cas de l'écosystème dans notre exemple de biologie marine, il y a une coévolution de chaque souche bactérienne et de son virus spécifique à l'hôte alors qu'ils rivalisent dans ce que l'on peut décrire comme une course aux armements. Alors que les bactéries trouvent des moyens d'échapper à l'attaque des virus, les virus évoluent pour contrer les nouvelles défenses. Dans ce modèle KtW coévolutif, la course aux armements est entraînée par des mutations qui surviennent à la fois dans les souches bactériennes et virales."

Xue ajoute, cette idée a le soutien de la génomique. "Des chercheurs, notamment en écologie microbienne marine, ont découvert que différentes souches bactériennes présentent une forte variation dans les régions de leurs génomes que l'on pense être associées à la résistance aux phages. Cette observation relie la diversité des génomes bactériens à la prédation virale et est en accord avec notre cadre KtW coévolutif."

"Et le problème de l'extinction peut maintenant être évité, " Xue continue. " Quand une souche s'éteint, ce, ou quelque chose de proche, peut encore réapparaître plus tard en tant que mutant d'une autre souche. Ce mécanisme de co-évolution agit en plus de l'hétérogénéité spatiale, ce qui contribue également à la diversité :si une souche particulière s'éteint dans une région particulière de l'espace, il est possible qu'il puisse être réensemencé par la migration ou la diffusion de cette souche d'ailleurs. Ainsi, à de longues échelles de temps, la diversité du système est maintenue.

Goldenfeld dit qu'il était satisfaisant de voir comment l'utilisation de la modélisation stochastique a permis à l'équipe d'inclure la course aux armements coévolutionnaire déjà bien connue dans un modèle simple, d'où a émergé la dynamique Kill-the-Winner.

"Le modèle KtW est une idée profondément importante, " affirme-t-il, "mais il doit être complété par des facteurs supplémentaires tels que la co-évolution et la variation spatiale. Notre travail démontre la décomposition de la version la plus simple mais la plus largement utilisée de la théorie et présente un moyen de restaurer son pouvoir explicatif. C'est passionnant que notre théorie modèle a non seulement capturé la diversité que nous essayions d'expliquer, mais est également cohérent avec un brin de données apparemment déconnecté du domaine de la génomique, fournissant ainsi un récit satisfaisant qui fonctionne du niveau des écosystèmes jusqu'au génome lui-même."

Goldenfeld et Xue prévoient de poursuivre cette piste d'enquête plus loin. Ils spéculent que la diversité est généralement liée à la distance entre un écosystème et l'équilibre. Les travaux futurs tenteront de quantifier la relation entre la diversité et la distance à l'équilibre.

Les résultats de cette étude théorique sont en principe testables expérimentalement :

« Je suis très enthousiasmé par la possibilité que le modèle KtW coévoluant puisse être testé en menant des expériences avec des bactéries et des phages coévoluant, " Commente Xue. " Le temps de reproduction court et la fréquence de mutation élevée font des systèmes microbiens un bon candidat pour tester des modèles dans lesquels les dynamiques évolutives et écologiques se produisent à la même échelle de temps. "

L'intérêt des chercheurs pour ce problème est né d'un domaine scientifique apparemment différent. Goldenfeld explique que ce travail a des implications pour les questions ouvertes en astrobiologie et pour la détection de la vie sur les mondes extraterrestres.

« La diversité des écosystèmes, surtout microbiens, est un facteur clé pour comprendre la probabilité que la vie puisse s'implanter suffisamment dans un environnement planétaire non seulement pour survivre, mais aussi être détectable. Avec la découverte révolutionnaire par la mission Cassini des océans mondiaux d'eau liquide sur Europe (lune de Jupiter) et Encelade (lune de Saturne), l'écologie microbienne marine est en passe de devenir une composante encore plus active de l'astrobiologie. Comprendre les mécanismes fondamentaux à l'origine de la biodiversité - une caractéristique omniprésente des écosystèmes terrestres - nous aidera à prédire l'observabilité de la vie non terrestre sur des mondes qui seront à la portée de nos sondes dans les décennies à venir."