🦠 Compétition Bactérienne

Lorsqu'aucune des conditions de coexistence n'est satisfaite — c'est-à-dire que chaque espèce peut exclure l'autre par compétition — le système atteint un équilibre instable. Le vainqueur réel dépend alors entièrement des tailles de population initiales : la souche qui démarre avec une population plus grande par rapport au point d'équilibre instable mènera l'autre à l'extinction. Ceci est appelé l'effet fondateur ou effet de priorité, et est pertinent pour la colonisation du microbiome intestinal et le contrôle des infections hospitalières.

Le coefficient α₁₂ mesure la force avec laquelle l'espèce 2 supprime l'espèce 1, exprimée en unités « équivalentes de l'espèce 1 ». Si α₁₂ = 0,8, chaque individu de l'espèce 2 supprime l'espèce 1 autant que le feraient 0,8 individu de l'espèce 1. Des valeurs supérieures à 1 indiquent que l'espèce 2 est un concurrent plus fort pour la ressource partagée que l'espèce 1 elle-même.

Dans un système à deux souches, une impulsion d'antibiotique qui tue le concurrent dominant peut provoquer une « libération écologique » — la souche précédemment supprimée subit une croissance rapide de population dans la niche nouvellement disponible. Ceci est cliniquement important : les antibiotiques à large spectre qui éliminent les bactéries commensales peuvent permettre à des pathogènes résistants comme Clostridioides difficile de se développer, provoquant une infection secondaire.

K représente la taille maximale de population que peut supporter l'approvisionnement en nutriments. Un K₁ plus élevé déplace l'isocline nulle de N₁ vers l'extérieur, rendant plus difficile pour l'espèce 2 de déplacer l'espèce 1. Lorsque K₁/K₂ > α₁₂ (l'espèce 1 a une capacité de charge bien plus grande), l'espèce 1 dominera quel que soit le coefficient de compétition. C'est pourquoi les bactéries à croissance rapide ayant accès à des nutriments abondants ont tendance à exclure par compétition les spécialistes à croissance plus lente.

Oui. Avec trois espèces ou plus, la coexistence est possible grâce à une dynamique de type pierre-papier-ciseaux : l'espèce A bat B, B bat C, mais C bat A. Cela a été observé chez des souches d'E. coli en compétition via la production de toxines (colicines) dans des expériences en laboratoire. La compétition non transitive permet des communautés stables et riches en espèces et constitue une explication de la biodiversité du microbiome intestinal humain.

L'équilibre de coexistence (N₁*, N₂*) est trouvé en résolvant simultanément les deux équations d'isoclines nulles : N₁* = (K₁ − α₁₂K₂)/(1 − α₁₂α₂₁) et N₂* = (K₂ − α₂₁K₁)/(1 − α₁₂α₂₁). La simulation marque ce point d'un cercle jaune sur le plan de phase lorsqu'il se situe dans la région biologiquement valide (les deux populations positives). Lorsque le dénominateur est proche de zéro, l'équilibre se déplace vers des valeurs extrêmes ou devient biologiquement dénué de sens.

La croissance exponentielle (dN/dt = rN) suppose des ressources illimitées et conduit à des populations infinies, ce qui n'est pas réaliste. La croissance logistique ajoute un terme dépendant de la densité qui ralentit la croissance à mesure que N s'approche de K, reflétant l'épuisement des nutriments, l'accumulation de déchets et la limitation de l'espace. Pour des bactéries en culture fermée (comme une plaque de microtitrage), le modèle logistique capture la courbe de croissance sigmoïde depuis la phase de latence, en passant par la phase exponentielle, jusqu'à la phase stationnaire.