Schaar-steen-papier met bacteriën

Een groep wetenschappers houdt een toernooi schaar-steen-papier. Het klinkt als het begin van een mop, maar is de realiteit. Dit doen ze echter niet op de normale manier, met handgebaren tegen elkaar. Dit doen ze op hun supercomputer, miljoenen keren opnieuw. Maar waarom houden ze zich bezig met dit kinderspel?

De paradox van de plankton

De klassieke ecologie volgt het principe van wederzijdse uitsluiting. Dit principe zegt dat soorten die in volledige competitie zijn, die met andere woorden strijden voor exact dezelfde hulpbronnen, niet kunnen samenleven. Eén van de twee soorten zal een klein voordeel hebben ten opzichte van de andere. Zo kan één soort zich bijvoorbeeld iets sneller voortplanten of efficiënter gebruikmaken van het aanwezige voedsel. Deze soort zal de andere wegconcurreren en als enige overleven. Op basis van dit principe verwachten we dus geen rijkelijke hoeveelheid aanwezige soorten.

In de praktijk blijkt dit echter niet zo te zijn. Zo vindt men in planktonkolonies veel meer soorten dan men zou verwachten. Deze tegenstrijdigheid tussen theorie en de praktijk staat daarom bekend als de ‘paradox van de plankton’, en vindt men in vele ecosystemen, van graslanden tot bacteriepopulaties. Het blijft een mysterie dat tot op vandaag slechts deels is verklaard.

Het principe van wederzijdse uitsluiting gaat ervan uit dat iedereen even vaak kan interageren met iedereen. Dit is echter niet altijd het geval. In een ruimtelijk ingedeeld ecosysteem, dat dus niet perfect gemengd is, zal je eerder met je buur in interactie treden dan met iemand ver weg. Dit blijkt een belangrijk effect te hebben op biodiversiteit. Experimenten tonen aan dat meerdere competitieve soorten kunnen samenleven als het ecosysteem niet perfect gemengd is. Dit fenomeen verklaart dus deels de paradox van de plankton en verdient daarom verder onderzoek. Mijn onderzoek richtte zich hierbij op bacteriekolonies.

Model

Ik onderzocht deze dynamiek met behulp van een zogenaamd individu-gebaseerd model. Hierbij laat men virtuele bacteriën los in een gesimuleerde ruimte. In mijn model wordt elke bacterie voorgesteld als een cirkel op een bepaalde positie in de kleur van één van de drie soorten: rood, geel en blauw. Doorheen de tijd kunnen deze bacteriën drie verschillende interacties uitvoeren. Allereerst kunnen ze kiezen om te migreren, waarbij ze een stap zetten in willekeurige richting. De bacteriën kunnen er ook voor kiezen om zich voort te planten. Dit kan als er voldoende vrije ruimte is rondom hen. De bacterie splitst zich dan in twee dochterbacteriën.

Als laatste kunnen de bacteriën ervoor kiezen om met elkaar in gevecht te gaan. Een bacterie van de blauwe soort overwint een gele bacterie. Een gele bacterie zal een rode overwinnen, en deze laatste overwint dan weer een blauwe bacterie. Dit competitienetwerk is gelijkaardig aan het klassieke schaar-steen-papier spel. Het is bovendien het kleinst mogelijke netwerk waarbij geen enkele soort een absoluut voordeel heeft. Daarom is het een goede vereenvoudiging om competitie in echte ecosystemen voor te stellen.

Nieuwe inzichten

Door nu een groot aantal individuele bacteriën te simuleren kan men kijken hoe het ecosysteem evolueert. Zo kan je als het ware uitzoomen en kijken wat er gebeurt op macroscopische schaal. Dit simpel model kan je nu gebruiken om theoretische vragen te beantwoorden over biodiversiteit. Zo kunnen we nagaan hoe het komt dat soorten kunnen samenleven in een ruimtelijk ecosysteem, ondanks het principe van wederzijdse uitsluiting.

Het blijkt dat de soorten zichzelf organiseren in ruimtelijke structuren. Een gebalanceerde achtervolging ontstaat, waarbij elke soort terrein wint aan de kant van zijn prooi en tegelijkertijd terrein verliest aan de kant van zijn aanvaller. Door deze ruimtelijke ordening is het mogelijk dat meerdere competitieve soorten samenleven. Door verder te experimenteren met het model kunnen we nauwkeurig bepalen wat de belangrijkste effecten zijn op biodiversiteit. Dit model maakt het dus mogelijk om te kijken hoe een ecosysteem theoretisch zal evolueren. Zo kunnen we nieuwe inzichten krijgen in allerhande fenomenen. Als voorbeeld geef ik het effect van achtervolgen en vluchten.

Vluchten en achtervolgen

Het is bekend dat sommige bacteriën hun prooi actief achtervolgen, terwijl anderen wegvluchten van hun aanvaller. Door een kleine aanpassing aan het model kunnen we het effect hiervan onderzoeken. Wanneer alle soorten gemengd zijn blijkt achtervolgen een slechte strategie te zijn. Door te achtervolgen verplaats je jezelf en vergroot de kans dat je één van jouw aanvallers tegenkomt. De kans dat je zelf aangevallen wordt en vervolgens sterft is daardoor groter. Wanneer alle soorten in ruimtelijke structuren zijn geordend is aanvallen wel een goede strategie. Door de ruimtelijke scheiding zal je prooi zich immers niet vlak naast jouw aanvaller bevinden. Je kan je prooi doden en ruimte vrijmaken om in voor te planten, zonder dat je het gevaar loopt zelf aangevallen te worden.

Op gelijkaardige manier kunnen we wegvluchten onderzoeken. Net zoals bij aanvallen blijkt dat wegvluchten een slechte strategie is als alle soorten gemengd zijn. Tijdens je vlucht verhoogt de kans om een andere aanvaller tegen te komen, en dus de kans dat je wordt vermoord. Wanneer ruimtelijke structuren aanwezig zijn is het beeld echter genuanceerder. Wegvluchten wanneer je wordt achtervolgd is een goede strategie. Je verlaat immers terrein waar je aanvaller naartoe beweegt. Zo vermijd je dat je wordt vermoord. Wegvluchten van een aanvaller die je niet achtervolgt is echter geen goede tactiek. Je verlaat terrein waar je aanvaller niet actief naar onderweg is. Hierdoor creëer je open ruimte waar je vijand in kan reproduceren. Je aanvaller groeit in aantal, wat een nadeel is voor jou.

Algemeen model

Gewapend met dit en andere individu-gebaseerde modellen kunnen wetenschappers nu een hele reeks vragen beantwoorden. Of het nu gaat over grote zoogdieren of kleine bacteriën, deze klasse van modellen geeft ons de mogelijkheid om complexe ecosystemen te onderzoeken, ermee te experimenteren en waardevolle inzichten te verwerven. Zo gebruikte ik dit model om onder andere na te gaan wanneer achtervolgen of wegvluchten een goede strategie is. Om een bekende dichter verkeerd te citeren: ‘to flee or not to flee, that’s no longer the question’.

** Een animatie is beschikbaar op: https://filesender.belnet.be/?vid=08c502ff-c4a0-1bc8-5384-00003eea3d6a **