Wageningse wetenschappers hebben met een wiskundige benadering de evolutie van soortenaantallen nagebootst. Daarmee toonden ze aan dat soortenrijkheid ecosystemen robuust maakt en kunnen ze in de toekomst wellicht voorspellen hoe ecosystemen veranderen.
Met de zomervakantie in het vooruitzicht en de verre vakantiebestemmingen die lonken, komt ook de dreiging van exotische ziekteverwekkers om de hoek kijken. Gelukkig biedt antibiotica een effectieve oplossing, maar dat middeltje heeft een negatief effect op de nuttige bacteriën in de darmen. Hoe antibiotica de darmflora op de lange termijn beïnvloeden, is niet duidelijk. Met een nieuwe simulatietool hebben onderzoekers mogelijk een instrument in handen om dergelijke voorspellingen te doen.
Geen dominante soort
Of het nu gaat om darmbacteriën, bomen, reeën, paddenstoelen of ander leven, overal in de natuur vindt een constante op- en neergang van soorten plaats. Masterstudent Elena Bellavere ontwikkelde samen met haar begeleiders een wiskundige benadering die dergelijke evolutie simuleert.
Wanneer de onderzoekers de simulatie starten met een enkele oersoort, ontwikkelen zich al snel allerlei nieuwe soorten. Daarmee tonen de simulaties aan wat biologen al lang vermoeden: het is voor ecosystemen voordelig om diverse soorten te bevatten. ‘Als er een enkele soort continu superieur is, put hij al zijn natuurlijke hulpbronnen, zoals voedsel, uit’, zegt Joshua Dijksman, universitair hoofddocent Physical Chemistry and Soft Matter. ‘Juist door fluctuaties van soorten en aantallen, ontstaat er geen dominante soort.’ Zo overleeft een ecosysteem.
Evolutieregels
Het model kijkt naar hoeveel voedsel, licht, zuurstof, CO2 en ruimte er in een leefgebied beschikbaar is. Met die informatie berekent het welke soorten overleven en zich vermeerderen en welke soorten uitsterven. Ook voegt de simulatie steeds nieuwe soorten toe aan het ecosysteem. Dat gebeurt ook in de natuur: sommige soorten migreren vanuit een andere omgeving, andere ontstaan ter plekke door toevallige veranderingen in het DNA, wat leidt tot evolutie. De wiskundige berekening imiteert dat.
Welke soorten overleven en welke uitsterven, programmeren we niet. Dat bepaalt de computer via kansberekening
Christian Hamster, wiskundige bij Biometris, de toegepaste-wiskundedivisie van WUR
Omdat niet alle soorten even succesvol zijn, verwijdert het model ook soorten uit de simulatie. ‘Welke soorten overleven en welke uitsterven, programmeren we niet’, vertelt Christian Hamster, wiskundige bij Biometris, de toegepaste-wiskundedivisie van WUR. ‘Dat bepaalt de computer zelf via kansberekening. Het leefgebied en zijn hulpbronnen bepalen vervolgens welke succesvol zijn.’ De computer gooit als het ware een digitale dobbelsteen. Door de basale wetten te programmeren en de consequenties door te rekenen, ontstaat automatisch een nieuwe laag evolutieregels. Die nieuwe wetten in de simulatie zijn niet door de onderzoekers geprogrammeerd, maar kloppen wel met de trends in de evolutie.
Versimpeld
Hoewel de simulatie waardevolle informatie oplevert, is hij niet helemaal accuraat. In een wiskundig model kun je immers niet alle factoren van de natuur inbouwen. Zo houdt de simulatie geen rekening met roof- en prooidieren. ‘In ons model eten de soorten elkaar niet op’, aldus Hamster. Het blijft dus een versimpelde versie van de werkelijkheid. Maar daardoor is het wel geschikt om simpele ecosystemen na te bootsen en te bestuderen.
Met micro-organismen uit de darm zijn we in no time vele generaties verder en kunnen we controleren of het model de uitkomst juist inschat
Joshua Dijksman, universitair hoofddocent Physical Chemistry and Soft Matter
Onze darmflora is precies zo’n eenvoudig ecosysteem, omdat het een omsloten omgeving is waar alleen micro-organismen leven. Daarom verwacht Dijksman dat het model in de toekomst inzicht kan geven in hoe bijvoorbeeld antibiotica de samenstelling van onze darmbewoners beïnvloedt. Voor eerste testen zijn micro-organismen bovendien ideaal, omdat ze eenvoudig groeien in petrischaaltjes in het lab en snel nakomelingen maken. ‘Dan zijn we in no time vele generaties verder en kunnen we controleren of het model de uitkomst juist inschat’, aldus Dijksman.