Konkurencja Bakterii: Wzrost, Dyfuzja i Walka o Nutrienty

Logistyczne wzrastanie na skończonej tacy

Poszczególna populacja bakterii na tacy o skończonych zasobach nie rośnie w nieskończoność – podział zwalnia, gdy zużywane są składniki odżywcze i gromadzą się odpady, zgodnie z równaniem logistycznym dN/dt = rN(1 - N/K), gdzie r oznacza wewnętrzną szybkość wzrostu, a K, pojemność nośną, jest ustalana przez ilość składników odżywczych, jaką może dostarczyć taca.

dN1/dt = r1·N1·(1 - (N1 + a12·N2) / K1) Lotka-Volterra dN2/dt = r2·N2·(1 - (N2 + a21·N1) / K2) konkurencyjne równania, a12, a21 = współczynniki konkurencji (w jakim stopniu wzrost jednej populacji jest tłumiony przez jednostkę drugiej), Czy dwie populacje ustabilizują się w stabilnej współistnieniu, jedna wyklucza drugą konkurencyjnie, czy też wynik zależy od początkowych proporcji, determinuje całkowicie sposób, w jaki cztery parametry r1, r2, a12 i a21 ze sobą współgrają.

dN1/dt = r1·N1·(1 - (N1 + a12·N2) / K1)      Lotka-Volterra
dN2/dt = r2·N2·(1 - (N2 + a21·N1) / K2)      competition equations

a12, a21 = competition coefficients (how much one species'
           growth is suppressed per individual of the other)

To nie tylko tempo wzrostu: teoria konkurencji zasobów

Bardziej mechanistyczny pogląd pyta, jaką koncentrację składników odżywczych potrzebuje każda gatunek, aby utrzymać się na granicy przetrwania – czyli R*. W dobrze mieszanym systemie z jednym ograniczającym zasobem, zasada wykluczenia konkurencyjnego przewiduje, że gatunek, który może przeżyć przy najniższym R*, ostatecznie wypędzi drugi gatunek do wyginięcia, niezależnie od tego, który rośnie szybciej, gdy dostępnych jest dużo składników odżywczych. Gatunek, który szybko się dzieli, ale potrzebuje dużej ilości pokarmu, aby utrzymać się, nadal może przegrać z wolniejszym, bardziej oszczędnym konkurentem, gdy łatwo dostępne zasoby wyczerpią się.

Dyfuzja przekształca konkurencję w geometrię

Wstrząśnięta probówka jest dobrze wymieszana; a talerz Petriego nie. Żywotność dyfunduje do wewnątrz z otaczającego żelu, podczas gdy rosnąca kolonia ją konsumuje na krawędzi, więc każda kolonia wyodrębnia lokalną strefę niedoboru zamiast konkurować z pojedynczym wspólnym rezerwuarem. Kształt, który powstaje, zależy od stopnia głodu rosnącej krawędzi kolonii: bogate, dobrze wymieszane media dają gładkie, zwartymi dyski (rosnące ograniczone przez maszynę podziałową, a nie zaopatrzenie w pokarm), podczas gdy ubogie w składniki odżywcze lub o wysokiej lepkości media głębiej ograniczają zatłoczone wnętrze niż wystawione końcówki, produkując nieregularne, fraktalne wzory przypominające agregację ograniczoną dyfuzją.

Triki współistnienia

Rzeczywiste konkurencja bakteryjna rzadko przebiega tak czysto, jak przewiduje teoria R* o dobrze wymieszanych populacjach, ponieważ struktura przestrzenna, produkty przemienne zmieniające lokalny pH oraz wojna chemiczna prowadzona przez bakteriocyny (antybiotyki białkowe skierowane przeciwko pokrewnym gatunkom) dają wolniejszym lub słabszym konkurentom sposoby na przetrwanie. Kolonie, które przegrałyby w wstrząśniętym probie, mogą zyskać stabilny lokalny nisza na talerzu, ponieważ dyfuzja nigdy nie pozwoli "wygrywającej" kolonii dotrzeć do każdego zakątka naczynia przed wyczerpaniem zasobów lokalnie.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Bacteria Competition i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.