🦠 Competencia Bacteriana

Cuando ninguna condición de coexistencia se cumple — es decir, ambas especies pueden excluir competitivamente a la otra — el sistema alcanza un equilibrio inestable. El ganador real entonces depende completamente de los tamaños de población iniciales: la cepa que comience con una población mayor en relación con el punto de equilibrio inestable llevará a la otra a la extinción. Esto se llama efecto fundador o efecto de prioridad, y es relevante para la colonización del microbioma intestinal y el control de infecciones hospitalarias.

El coeficiente α₁₂ mide qué tan fuertemente la Especie 2 suprime a la Especie 1, expresado en unidades de "equivalentes de Especie 1". Si α₁₂ = 0.8, cada individuo de la Especie 2 suprime a la Especie 1 tanto como lo harían 0.8 individuos de la Especie 1. Valores mayores que 1 indican que la Especie 2 es un competidor más fuerte por el recurso compartido que la propia Especie 1.

En un sistema de dos cepas, un pulso de antibiótico que mata al competidor dominante puede causar "liberación ecológica" — la cepa previamente suprimida experimenta un rápido crecimiento poblacional en el nicho recién disponible. Esto es clínicamente importante: los antibióticos de amplio espectro que eliminan bacterias comensales pueden permitir que patógenos resistentes como Clostridioides difficile se expandan, causando una infección secundaria.

K representa el tamaño máximo de población que puede sostener el suministro de nutrientes. Un K₁ más alto desplaza la nulclina de N₁ hacia afuera, dificultando que la Especie 2 desplace a la Especie 1. Cuando K₁/K₂ > α₁₂ (la Especie 1 tiene una capacidad de carga mucho mayor), la Especie 1 dominará independientemente del coeficiente de competencia. Por eso las bacterias de crecimiento rápido con acceso a nutrientes abundantes tienden a excluir competitivamente a los especialistas de crecimiento más lento.

Sí. Con tres o más especies, la coexistencia es posible mediante dinámicas de piedra-papel-tijera: la Especie A vence a B, B vence a C, pero C vence a A. Esto se ha observado en cepas de E. coli compitiendo mediante producción de toxinas (colicinas) en experimentos de laboratorio. La competencia no transitiva permite comunidades estables ricas en especies y es una explicación de la biodiversidad del microbioma intestinal humano.

El equilibrio de coexistencia (N₁*, N₂*) se encuentra resolviendo simultáneamente las dos ecuaciones de nulclinas: N₁* = (K₁ − α₁₂K₂)/(1 − α₁₂α₂₁) y N₂* = (K₂ − α₂₁K₁)/(1 − α₁₂α₂₁). La simulación marca este punto con un círculo amarillo en el plano de fase cuando cae en la región biológicamente válida (ambas poblaciones positivas). Cuando el denominador está cerca de cero, el equilibrio se desplaza a valores extremos o se vuelve biológicamente sin sentido.

El crecimiento exponencial (dN/dt = rN) asume recursos ilimitados y lleva a poblaciones infinitas, lo cual no es realista. El crecimiento logístico añade un término dependiente de la densidad que ralentiza el crecimiento a medida que N se acerca a K, reflejando el agotamiento de nutrientes, la acumulación de desechos y la limitación de espacio. Para bacterias en un cultivo cerrado (como una placa de microtitulación), el modelo logístico captura la curva de crecimiento sigmoidal desde la fase de latencia a través de la fase exponencial hasta la fase estacionaria.